Windows内存体系(4)--内存对齐

一、为什么要内存对齐

不是所有的CPU都能访问任意地址上的任意数据的，有些CPU只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

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。

如果数据存储时是按照内存存取粒度对齐的，那么处理器就可以在一个内存访问周期内完成数据的读取；反之，如果数据没有对齐，可能需要多个内存访问周期才能读取完整的数据。

在 C/C++ 中，编译器会在结构体（联合体、类）成员之间插入填充字节，以确保每个成员都按照特定的对齐要求进行存储，以提高内存访问效率。

每个编译器都有自己的默认“对齐系数”（也叫对齐模数）。GCC默认对齐系数为4，MSVC 32位默认对齐系数为8，MSVC 64位默认对齐系数位16。

我们可以在代码中通过预编译命令#pragma pack(n)来指定对齐系数，n 可以为 (1, 2, 4, 8, 16)中的任意一个。

下面是 #pragma pack 命令的基本用法：

1
2
3

#pragma pack(n) // 使用自定义n字节对齐  n可以为1，2，4，8，16
#pragma pack()  // 使用缺省字节对齐
#pragma pack(show) // 在编译输出窗口以警告的形式显示出当前的内存以几个字节对齐

假设在一个结构体（联合体、类）中，最大数据类型长度为 m，编译器对齐系数是 n，则将 min(m, n) 称做对齐单位，也叫有效对齐值，这里记为 s。

对齐分为成员对齐和结构体（联合体、类）整体对齐。

成员对齐规则：第一个成员相对于结构体首地址的偏移量始终为 0，以后每个成员（数据类型长度记为 k）相对于结构体首地址的偏移量都为 min(k, s) 的整数倍。
整体对齐：结构体的总大小必须是有效对齐值 s 的整数倍。

从内存对齐的规则可以看出：`

在 64 位系统上编译下面的测试程序，已知在 64 位系统上各类型占用字节数如下：

char     1字节
short    2字节
int      4字节
long     4字节
double   8字节
long long 8字节
char*     8字节

示例代码如下：

#pragma pack(8)  // 强制设置对齐系数为8

struct A {
  char s[5];
  short c;
  int a;
};

int main()
{
  int i = sizeof(A);
  printf("%d", i);

  return 0;
}

按照第二节所讲的内存对齐规则，分析如下：
因为结构体中最大的数据成员长度为 int（即 4 字节），而且#pragma pack(8)指定的对齐系数为 8 ，所以有效对齐值 s 为 min(4, 8) = 4。

下图是结构体 A 按照 4 字节对齐的内存布局（需要注意的是“内存不是填充在 s5 后面，而是填充在 c 后面”）：

从图我们很容易知道sizeof(A) = 12.

文章图片带有“CSDN”水印的说明：
由于该文章和图片最初发表在我的CSDN 博客中，因此图片被 CSDN 自动添加了水印。