C/C++字节对齐规则-创新互联

C/C++字节对齐规则 什么是字节对齐

现代计算机中，内存空间按照字节划分，理论可以从任何骑术地址访问任意类型的变量。但是实际访问中特定类型的变量经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定规则在空间上排列，而不是一个接一个地存放，这就是对齐

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但最常见的情况是，如果不按照平台要求对数据存放进行对齐，会带来存取效率上的损失。比如32位的Intel处理器通过总线访问(包括读和写)内存数据。每个总线周期从偶地址开始访问32位内存数据，内存数据以字节为单位存放。如果一个32位的数据没有存放在4字节整除的内存地址处，那么处理器就需要2个总线周期对其进行访问，显然访问效率下降很多。

因此，通过合理的内存对齐可以提高访问效率。为使CPU能够对数据进行快速访问，数据的起始地址应具有“对齐”特性。比如4字节数据的起始地址应位于4字节边界上，即起始地址能够被4整除。

此外，合理利用字节对齐还可以有效地节省存储空间。但要注意，在32位机中使用1字节或2字节对齐，反而会降低变量访问速度。因此需要考虑处理器类型。还应考虑编译器的类型。在VC/C++和GNU GCC中都是默认是4字节对齐。

结构体对齐

在C语言中，结构体是种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型(如int、long、float等)的变量，也可以是一些复合数据类型(如数组、结构体、联合等)的数据单元。编译器为结构体的每个成员按照其自然边界(alignment)分配空间。各成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。字节对齐的问题主要就是针对结构体。

简单示例

struct A {int	  a;
    char  b;
    short c;
};

struct B {char  b;
    int   a;
    short c;
};

结果：sizeof(struct A) = 8,sizeof(struct B) = 12

结构体A中包含一个4字节的int数据，一个1字节char数据和一个2字节short数据；B也一样。按理说A和B大小应该都是7字节。之所以出现上述结果，就是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。

对齐规则

首先了解一些基本概念：

1. 数据类型自身的对齐值：char型数据自身对齐值为1字节，short型数据为2字节，int/float型为4字节，double为8字节
2. 结构体或类的自身对齐值：其中成员自身对齐值大的那个值
3. 指定对齐值：#pragma pack(value)时的指定对齐值value
4. 数据成员、结构体类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小者，即有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的pack值}

其中，有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值。有效对齐N表示“对齐在N上”，即该数据的“存放起始地址%N=0”。而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序存放。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐存放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(即结构体成员变量占用总长度为结构体有效对齐值的整数倍)。

字节对齐与具体编译器相关，但一般都遵循以下三条规则：

1. 结构、联合或类的数据成员，第一个相对于首地址放在偏移为0的地方；
2. 结构、联合或类的各成员相对于首地址的偏移量，都是#pragma pack指定的数值和该成员大小中较小那个的整数倍。如有需要编译器会在成员之间加上填充字节；
3. 结构、联合或类的总大小为最宽基本类型成员大小与#pragma pack指定的数值中较小那个的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。

C++无数据成员类

无数据成员的类（包括空类），编译器分配1个字节的内存空间。这样的意义在于，创建的实例所指向的就是有意义的内存空间。

如果基类无数据成员，C++标准允许派生类的第一个成员与基类共享地址，基类并没有占据任何实际的空间。但若派生类的第一个成员类型仍然是基类，编译器仍会为基类分配1字节的空间，这是因为C++标准要求类型相同的对象必须地址不同。

指针的大小

有关寻址范围计算解释，对于32位寻址的CPU，其地址值为32位的二进制数，所以可以表示的大地址为2的32次方(即4G，大内存空间为4GB，这里G表示数量、GB表示容量)。同时我们不难看出，一个指针的值就是一个32位的二进制数，32位对应 4字节(Byte)。所以，指针的大小实际上是由CPU的寻址位数决定，而不是字长。

参考：

C/C++字节对齐规则_春日绿野的博客-博客_c++字节对齐规则

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新闻名称：C/C++字节对齐规则-创新互联
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