什么是字节对齐？

计算机并非逐字节读取内存，而是按2,4,8的倍数的字节块读写内存，故地址必须为上述倍数，故各种数据类型需要按照一定规则在空间上排列

对齐准则

  • 结构体变量首地址可被对齐字节数大小所整除
  • 结构体每个成员相对该结构体首地址的偏移都是成员大小的整数倍（如需要，填充字节）
  • 结构体总大小为结构体对齐字节数大小的整数倍

    为什么要字节对齐?

    可优化【读写效率】【空间存储】【跨平台通信】

读写效率

考虑场景如下：若计算机每次读取8字节块，此时读取一个double，若未字节对其，可能该double位与两个不同的字节块，需要做两次读取才能读出double的值，显然效率低下！

空间存储

字节对齐的细节由编译器实现，为何我们还需要考虑字节对齐？

考虑如下代码

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdint.h>
  3. #ifdef DEBUG
  4.     struct test
  5.     {
  6.         int a;
  7.         char b;   
  8.         int c;
  9.         short d;
  10.         test(int v1, char v2, int v3, short v4) :
  11.             a(v1),b(v2),c(v3),d(v4){}
  12.     };    /* 16字节 */
  13. #else
  14.     struct test
  15.     {
  16.         int a;
  17.         char b;   
  18.         short d;
  19.         int c;
  20.         test(int v1, char v2, int v3, short v4) :
  21.             a(v1),b(v2),c(v3),d(v4){}
  22.     };/* 12字节 */
  23. #endif
  24. int main(int argc, char* argv)
  25. {
  26.     /*在32位和64位的机器上，size_t的大小不同*/
  27.     struct test a(1,'a',2,3);
  28.     printf("the size of struct test is %zu\n", sizeof(a));
  29.     return 0;
  30. }

实验结果如下：

  • 16字节内存分布：

image.png

  • 12字节内存分布：

image.png

结论

设计结构体时，合理调整成员的位置，可大大较少存储空间（比如说将内存占用较小的变量顺序放置）

  1. /* 32位机器上执行运行 */
  2. struct test
  3. {
  4.     int a;
  5.     char b;
  6.     int c;
  7.     short d;
  8. }; /* 大小为16字节 */
  9. /* 未对齐 ： 0-3 , 4 , 5-8 , 9-10*/
  10. /* 对齐： 0-3 , 4-7 , 8-11 , 12-15*/  
  11. struct test{
  12.     int a;
  13.     char b;
  14.     short d;
  15.     int c;
  16. }；
  17. /* 对齐：0-3 , 4-5 , 6-7 , 8-11 */
  18. /* b和d 存储在了同一字节块 */

跨平台通信

由于不同平台对齐方式可能不同，故可采用两种处理方式。

  • 1字节对齐
  • 主动对结构【字节填充】

    1字节对齐#pragma pack(n)

    1. #pragma pack(1) /*1字节对齐*/
    2. struct test
    3. {
    4.   int a;
    5.   char b;
    6.   int c;
    7.   short d;
    8. };
    9. #pragma pack()/*还原默认对齐*/
    其内存分布如下（占11字节）：
    image.png

    主动填充

    1. struct test
    2. {
    3.   int a;
    4.   char b;
    5.   char reserve[3];
    6.   int c;
    7.   short d;
    8.   char reserve1[2];
    9. };
    不节省空间且扩展性差，不推荐

总结

在编程过程中，不需要关注字节对齐的细节，但不可忽略字节对齐，故总结了如下经验：

  1. 结构体合理安排成员位置
  2. 跨平台数据可考虑1字节填充
  3. 本地数据采用默认对齐，以提高访问效率