CPP-内存对齐

这篇文章记述了关于内存对齐的知识点。

阿里：struct 和 union 的区别

1、struct中每个成员都会分配到内存位置，而union则是大家共用一块内存位置（你用完了我用，所以会存在数据覆盖的问题）；

2、struct的大小为几个成员变量所占的大小之和（还得考虑内存对齐哈），而union的大小则取决于内部元素中类型最大的那一个；

union u
{
　double a;
　int b;
};

union u2
{
　char a[13];
　int b;
};

union u3
{
　char a[13];
　char b;
};

cout<<sizeof(u)<<endl; // 8   double为8位嘛！
cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16 本来应该是13，但是考虑四字节对齐，最接近的就是16了！
cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13 为什么这个就是13呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。

可以采用#pragma pack(X)来修改

#pragma pack(2)
union u2
{
　char a[13];
　int b;
};
union u3
{
　char a[13];
　char b;
};
#pragma pack(8)

cout<<sizeof(u2)<<endl; // 14 由于手动更改对界方式为2，所以int的对界也变成了2，u2的对界取成员中最大的对界，也是2了，所以此时sizeof(u2)=14。
cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13 ，char的对界为1

struct的sizeof问题
struct s1
{
　char a;
　double b;
　int c;
　char d;
};

struct s2
{
　char a;
　char b;
　int c;
　double d;
};

cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24
cout<<sizeof(s2)<<endl; // 16

同样是两个char类型，一个int类型，一个double类型，但是因为对界问题，导致他们的大小不同。计算结构体大小可以采用元素摆放法，我举例子说明一下：首先，CPU判断结构体的对界，根据上一节的结论，s1和s2的对界都取最大的元素类型，也就是double类型的对界8。然后开始摆放每个元素。

　　对于s1，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲的地址是1，但是下一个元素d是double类型，要放到8的对界上，离1最接近的地址是8了，所以d被放在了8，此时下一个空闲地址变成了16，下一个元素c的对界是4，16可以满足，所以c放在了16，此时下一个空闲地址变成了20，下一个元素d需要对界1，也正好落在对界上，所以d放在了20，结构体在地址21处结束。由于s1的大小需要是8的倍数，所以21-23的空间被保留，s1的大小变成了24。

　　对于s2，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲地址是1，下一个元素的对界也是1，所以b摆放在1，下一个空闲地址变成了2；下一个元素c的对界是4，所以取离2最近的地址4摆放c，下一个空闲地址变成了8，下一个元素d的对界是8，所以d摆放在8，所有元素摆放完毕，结构体在15处结束，占用总空间为16，正好是8的倍数。

总结：当结构体当中出现double，int等元素时，要进行内存对齐，分别是8 和 4

什么是内存对齐

从理论上来讲，我们可以从任一字节位置处开始读取，但是实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k（通常它为4或8）的倍数，这就是所谓的内存对齐。

尽管内存是以字节为单位，但是大部分处理器并不是按字节块来存取内存的.它一般会以双字节,四字节,8字节,16字节甚至32字节为单位来存取内存，我们将上述这些存取单位称为内存存取粒度.

现在考虑4字节存取粒度的处理器取int类型变量（32位系统），该处理器只能从地址为4的倍数的内存开始读取数据。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器.这需要做很多工作.

//32位系统
#include<stdio.h>
struct
{
    int i;    
    char c1;  
    char c2;  
}x1;

struct{
    char c1;  
    int i;    
    char c2;  
}x2;

struct{
    char c1;  
    char c2; 
    int i;    
}x3;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(x1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(x2));  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(x3));  // 输出8
    return 0;
}

如果前面加上#pragma pack(2)，有效对齐值为2字节，此时根据对齐规则，三个结构体的大小应为6,8,6。内存分布图如下：