內(nèi)存對齊到底是怎么回事？

內(nèi)存對齊問題是各種開發(fā)類面試中最熱門的問題，面試管一般認(rèn)為這個問題可以考察被面試者對內(nèi)存細(xì)節(jié)的了解情況，確實(shí)這個問題對于C++初學(xué)者來說是個十足的難題因?yàn)樗粌H涉及了pragma pack(n) 設(shè)定的內(nèi)存對齊系數(shù)還涉及了相關(guān)內(nèi)存分配的細(xì)節(jié)。

內(nèi)存對齊：

我們知道現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系中CPU按照雙字、字、字節(jié)訪問存儲內(nèi)存，并通過總線進(jìn)行傳輸，若未經(jīng)一定規(guī)則的對齊，CPU的訪址操作與總線的傳輸操作將會異常的復(fù)雜，所以現(xiàn)代編譯器中都會對內(nèi)存進(jìn)行自動的對齊。

1.內(nèi)存對齊系數(shù)

說道內(nèi)存對齊，就不得不說內(nèi)存對齊系數(shù)， 對齊系數(shù)最簡單的設(shè)置方法是使用 #pragma pack(n)進(jìn)行設(shè)置，這部分點(diǎn)進(jìn)鏈接在我的文章內(nèi)有詳細(xì)說明！

2.sizeof

說到內(nèi)存對齊第二個不得不說的就是sizeof，它的基本作用是判斷數(shù)據(jù)類型或者表達(dá)式長度，要注意的是這不是一個函數(shù)，而是一個C++中的關(guān)鍵字！字節(jié)數(shù)的計(jì)算在程序編譯時進(jìn)行，而不是在程序執(zhí)行的過程中才計(jì)算出來!

3.類型的長度與數(shù)據(jù)成員對齊

你的計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)類型的長度指的就是在你的計(jì)算機(jī)中對數(shù)據(jù)類型使用sizeof得到的結(jié)果，當(dāng)然這個在各種不同的編譯環(huán)境下得到的結(jié)果是不同的。
比如在32位Visual Studio環(huán)境下：
cout << sizeof(char) << endl; ?// 1
cout << sizeof(short) << endl; ?// 2
cout << sizeof(int) << endl; ?// 4
cout << sizeof(long) << endl; ?// 4

cout << sizeof(double) << endl; ?// 8

而在64位G++編譯環(huán)境下：
cout << sizeof(char) << endl; ?// 1
cout << sizeof(short) << endl; ?// 2
cout << sizeof(int) << endl; ?// 4
cout << sizeof(long) << endl; ?// 8

cout << sizeof(double) << endl; ?// 8

下面我將在32位Visual Studio環(huán)境下講解數(shù)據(jù)成員對齊：
首先我們要清楚結(jié)構(gòu)體struct中的成員在內(nèi)存中的分配是連續(xù)的，struct內(nèi)的首地址也就是struct內(nèi)第一個數(shù)據(jù)成員的地址，換句話說struct內(nèi)第一個數(shù)據(jù)成員離struct開始的距離offset = 0。
數(shù)據(jù)成員對齊的規(guī)則就是，而在第一個成員之后，每個成員距離struct首地址的距離 offset， 都是struct內(nèi)成員自身長度（sizeof） 與 #pragma pack(n)中的n的最小值的整數(shù)倍，如果未經(jīng)對齊時不滿足這個規(guī)則，在對齊時就會在這個成員前填充空子節(jié)以使其達(dá)到數(shù)據(jù)成員對齊。

默認(rèn)n為8時：

#pragma pack(8)

struct {
? ? char a;
? ? double b;
} myStruct;
cout << sizeof myStruct << endl; ?// 16
cout << (int *)&myStruct.a << endl; ?// 0024F898

cout << &myStruct.b << endl; ?// 0024F8A0(因運(yùn)行時而異)

當(dāng)設(shè)置n為4也就是min（sizeof(double), n） = 4 時：
#pragma pack(4)
struct {
? ? char a;
? ? double b;
} myStruct;
cout << sizeof myStruct << endl; // 12
cout << (int *)&myStruct.a << endl; // 0046F76C
cout << &myStruct.b << endl; // 0046F770
第一個例子時，最小值為8，填充7個字節(jié)到char a 之后。

第二個例子時，最小值為4，填充3個字節(jié)到char a之后。

4.整體對齊

編譯器在進(jìn)行過數(shù)據(jù)成員對齊之后，還要進(jìn)行整體對齊。與數(shù)據(jù)對齊相似但不是完全相同， 如果數(shù)據(jù)對齊完成時struct的大小不是 struct內(nèi)成員自身長度最大值（sizeof） 與 #pragma pack(n)中的n的最小值的整數(shù)倍。（注意這里是成員中長度最大的那個與n比較，而不是特定的一個成員。）就要在struct的最后添加空字節(jié)直到對齊。
當(dāng)設(shè)置n為4也就是min（sizeof(short), n） = 2 時：
#pragma pack(4)
struct {
? ? char a;
? ? short b;
? ? char c;
} myStruct;
cout << sizeof myStruct << endl; ?// 6
cout << (int *)&myStruct.a << endl; ?// 003DFED0
cout << &myStruct.b << endl; ?// 003DFED2
cout << (int *)&myStruct.c << endl; ?// 003DFED4
在上面的例子中，char a offset為0 因成員對齊占據(jù)[D0]填充[D1]共兩個字節(jié)，short b是最大長度成員無需對齊占據(jù)[D2-D3]兩個字節(jié),它的offset是2,而char c的offset是4占據(jù)[D4]無需成員對齊，但此時struct的大小是2+2+1 = 5字節(jié)，不是2的整數(shù)倍，所以我們要填充空子節(jié)在最后直到struct大小達(dá)到2的整數(shù)倍，這就是整體對齊。
經(jīng)過了數(shù)據(jù)成員對齊與整體對齊之后內(nèi)存對齊就完成了，如果深入思考上述規(guī)則還會發(fā)現(xiàn)：即使是同樣數(shù)目與數(shù)量的數(shù)據(jù)成員，在擺放的順序不同時struct的大小也會不同，下面就是一個例子：
這樣擺放是12字節(jié)：

擺放方式改變時結(jié)果確變成了8字節(jié):

由于這種特性，如果在網(wǎng)絡(luò)編程或相關(guān)內(nèi)存操作時如果不加以注意的話，就會造成隱秘而難以糾正的錯誤，請大家務(wù)必小心！