1、什么是内存对齐？

元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小（通常它为4或8）来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始，这就是所谓的内存对齐。

编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。C语言允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再模糊了。

下图是结构体在32bit和64bit环境下各基本数据类型所占的字节数：

2、以一个例子开始了解

我们先看以下列子，对比上图所给的字节数，大家计算一下以下结构体所占的字节数：

struct ZLStruct1{
    int x;
    char y;
} struct1;
int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%lu",sizeof(struct1));
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

以上例子的运行结果为 8，为什么呢？如果按照每个成员所占的字节数来计算的话，结果应该为 4 + 1 = 5才对啊。其实这就是内存对齐所导致的。

3、为什么要内存对齐?

平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台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。
性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器。这需要做很多工作。
现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

4、内存对齐规则

官方解释如下，简直太长不看，我们直接上案例

基本类型的对齐值就是其sizeof值;
数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行;
结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行;

struct ZLStruct1 {
    int i;
    char c1;
    char c2;
} struct1;
struct ZLStruct2 {
    char c1;
    int i;
    char c2;
} struct2;
struct ZLStruct3 {
    char c1;
    char c2;
    int i;
} struct3;
int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%lu",sizeof(struct1)); // 8
        NSLog(@"%lu",sizeof(struct2)); // 12
        NSLog(@"%lu",sizeof(struct3)); // 8
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

看以上结构体，我们可以看到结构体中最长的数据类型为4个字节，所以有效对齐单位为4字节，下面根据上面所说的规则以第二个结构体来分析其内存布局：首先使用规则1，对成员变量进行对齐：

sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；
sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；
sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；

然后使用规则2，对结构体整体进行对齐：

第二个结构体中变量i占用内存最大占4字节，而有效对齐单位也为4字节，两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到struct2占9个字节，此处再按照规则2进行整体的4字节对齐，所以整个结构体占用12个字节。

根据上面的分析，不难得出上面例子三个结构体的内存布局如下：

5、分析结构体嵌套结构体

接下来我们挑战升级，在一个结构体中嵌套另外一个结构体，分析它所占用的字节数：

struct ZLStruct1 {
    int i;
    char c1;
    char c2;
} struct1;
struct ZLStruct2 {
    char c1;
    int i;
    char c2;
    struct ZLStruct1 struct1;
} struct2;
int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%lu",sizeof(struct1)); // 8
        NSLog(@"%lu",sizeof(struct2)); //
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

根据我们上面所说的内存对齐规则，可以看到struct1的长度为8字节，但struct1中最长的数据类型为sizeof(i) = 4，

sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；
sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；
sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；
sizeof(struct1) = 8 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第12，13，14，15，16，17，18，19单元；

因此对齐后，可以得出所占字节数为20的内存分布图：

6、总结

结构体作为一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型的变量，也可以是一些复合型类型数据。对此，编译器会自动进行成员变量的对齐以提高运算效率。默认情况下，按自然对齐条件分配空间。各个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，向结构体成员中size最大的成员对齐。

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k（通常它为4或8）的倍数，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数。

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