C/C++之内存对齐-白红宇

C/C++之内存对齐

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发布时间：2019-06-12

本文共 3063 字，大约阅读时间需要 10 分钟。

数据对齐，是指数据所在的内存地址必须是该数据长度的整数倍。DWORD数据的内存起始地址能被4除尽，WORD数据的内存起始地址能被2除尽。X86 CPU能直接访问对齐的数据，当它试图访问一个未对齐的数据时，会在内部进行一系列的调整。这些调整对于程序员来说是透明的，但是会降低运行速度，所以编译器在编译程序时会尽量保证数据对齐。

不同的编译器内存对齐的方式不同。

一个小例子：在32位的机器上，数据是以4字节为对齐单位，这两个类的输出结果为什么不同？（VS2008）

[cpp]

#include <iostream>

using namespace std;

class B

{

private:

bool m_bTemp;

int m_nTemp;

bool m_bTemp2;

};

class C

{

private:

int m_nTemp;

bool m_bTemp;

bool m_bTemp2;

};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

cout<<sizeof(B)<<endl;

cout<<sizeof(C)<<endl;

system("pause");

return 0;

}

答案是：3*4=12,2*4=8

分析：在访问内存时，如果地址按4字节对齐，则访问的效率会高很多。

考虑到性能方面，编译器会对结构进行对齐处理，考虑下面的结构：

struct aStruct

{

char cValue;

int iValue;

};

直观地讲，这个结构的尺寸是sizeof(char)+sizeof(int)=6,但是在实际编译下，这个结构尺寸默认是8，因为第二个域iValue会被对齐到第4个字节。

注意：字节对齐是编译时决定的，一旦决定则不会再改变，因此即使有对齐的因素存在，也不会出现一个结构在运行时尺寸发生变化的情况。

在本题中：第一种类的数据对齐是下面的情况：

bool ---- ---- ----

------- int ---------

bool ----- ---- ----

第二种类的数据对齐是下面的情况：

------- int ----------

bool bool ---------

所以类的大小分别3*4和2*4

一般在VC++中加上#pragma pack(n)设置内存对齐。

我们可以利用#pragma pack()来改变编译器的默认对齐方式。

#pragma pack(n) //编译器将按照n字节对齐

#pragma pack() //编译器将取消自定义字节对齐方式

在#pragma pack(n)和#pragma pack()之间的代码按n字节对齐。

但是成员对齐有一个重要的条件，即每个成员按照自己的对齐方式对齐；也就是说虽然指定了按n字节对齐，但并不是所有的成员都以n字节对齐。

对齐的规则是：每个成员按其类型的对齐参数（通常是这个类型的大小）和指定对齐参数（这里是n字节）中较小的一个对齐，即min(n,sizeof(item))，并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。

[cpp]

#pragma pack(8)

struct TestStruct4

{

char a;

long b;

};

struct TestStruct5

{

char c;

TestStruct4 d;

long long e;

};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

cout<<sizeof(TestStruct4)<<endl;

cout<<sizeof(TestStruct5)<<endl;

system("pause");

return 0;

}

运行结果为：8,24

分析：

TestStruct4 中，成员a是1字节，默认按照1字节对齐，指定对齐参数是8，这两个值中取1，a按1字节对齐；

成员b是4字节，默认是按4字节对齐，这时就按4字节对齐，所以sizeof(TestStruct4)应该是8.

TestStruct5 中，c和TestStruct4中的a一样，按1字节对齐；而d是个结构，它是8字节，对于结构来说，它的默认对齐方式就是其所有成员使用的对齐参数中最大的一个，TestStruct4就是4，所以成员d就按照4字节对齐。成员e是8字节，它是默认的8字节对齐，和指定的一样，所以它对齐到8自己的边界上，这时，已经使用了12字节了，所以又添加了4字节的空间，从第16字节开始放置成员e。这时长度为24，已经可以被8整除（成员e按8字节对齐）。这样一共使用了24字节。

内存布局图如下：

TestStruct4 的内存布局：

a b

1*** 1111

TestStruct5 的内存布局：

c d.a d.b e

1*** 1*** 1111 **** 11111111

注意3点：

（1）每个成员按照自己的方式对齐，并能最小化长度

（2）复杂类型（如结构）的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式，这样在成员是复杂类型时，可以最小化长度。

（3）对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍，这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐。

补充：对于数组，比如说char a[3]，它的对齐方式和分别写3个char是一样的，也就是说它还是按1字节对齐；如果写成typedef char Arrary3[3],Arrary3这种类型的对齐方式还是按1字节对齐，而不是按它的长度。