從記憶體的角度解釋記憶體對齊的原理
阿新 • • 發佈：2019-02-08
大部分的參考資料都是如是說的：
1、平臺原因(移植原因)：不是所有的硬體平臺都能訪問任意地址上的任意資料的；某些硬體平臺只能在某些地址處取某些特定型別的資料，否則丟擲硬體異常。
2、效能原因：資料結構(尤其是棧)應該儘可能地在自然邊界上對齊。原因在於，為了訪問未對齊的記憶體，處理器需要作兩次記憶體訪問；而對齊的記憶體訪問僅需要一次訪問。
二、對齊規則
每個特定平臺上的編譯器都有自己的預設“對齊係數”(也叫對齊模數)。程式設計師可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是你要指定的“對齊係數”。
規則：
1、資料成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的資料成員，第一個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個資料成員
自身長度中，比較小的那個進行。
2、結構(或聯合)的整體對齊規則：在資料成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大資料成員長度中，比較小的那個進行。
3、結合1、2可推斷：當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。
三、試驗
下面我們通過一系列例子的詳細說明來證明這個規則
編譯器：GCC 3.4.2、VC6.0
平臺：Windows XP
典型的struct對齊
struct定義：
#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack(n)
首先確認在試驗平臺上的各個型別的size，經驗證兩個編譯器的輸出均為：
sizeof(char) = 1
sizeof(short) = 2
sizeof(int) = 4
試驗過程如下：通過#pragma pack(n)改變“對齊係數”，然後察看sizeof(struct test_t)的值。
1、1位元組對齊(#pragma pack(1))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 8 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(1)
struct test_t {
int a; /* 長度4 > 1 按1對齊；起始offset=0 0%1=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 > 1 按1對齊；起始offset=5 5%1=0；存放位置區間[5,6] */
char d; /* 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=7 7%1=0；存放位置區間[7] */
};
#pragma pack()
成員總大小=8
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 1) = 1
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 8 /* 8%1=0 */ [注1]
2、2位元組對齊(#pragma pack(2))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 10 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(2)
struct test_t {
int a; /* 長度4 > 2 按2對齊；起始offset=0 0%2=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 2 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 = 2 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 2 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 2) = 2
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 10 /* 10%2=0 */
3、4位元組對齊(#pragma pack(4))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(4)
struct test_t {
int a; /* 長度4 = 4 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 4 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 < 4 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 4 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 4) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */
4、8位元組對齊(#pragma pack(8))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(8)
struct test_t {
int a; /* 長度4 < 8 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 8 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 < 8 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 8 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 8) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */
5、16位元組對齊(#pragma pack(16))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(16)
struct test_t {
int a; /* 長度4 < 16 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 16 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 < 16 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 16 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 16) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */
8位元組和16位元組對齊試驗證明了“規則”的第3點：“當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果”。
記憶體分配與記憶體對齊是個很複雜的東西，不但與具體實現密切相關，而且在不同的作業系統，編譯器或硬體平臺上規則也不盡相同，雖然目前大多數系統/語言都具有自動管理、分配並隱藏低層操作的功能，使得應用程式編寫大為簡單，程式設計師不在需要考慮詳細的記憶體分配問題。但是，在系統或驅動級以至於高實時，高保密性的程式開發過程中，程式記憶體分配問題仍舊是保證整個程式穩定，安全，高效的基礎。
1、平臺原因(移植原因)：不是所有的硬體平臺都能訪問任意地址上的任意資料的；某些硬體平臺只能在某些地址處取某些特定型別的資料，否則丟擲硬體異常。
2、效能原因：資料結構(尤其是棧)應該儘可能地在自然邊界上對齊。原因在於，為了訪問未對齊的記憶體，處理器需要作兩次記憶體訪問；而對齊的記憶體訪問僅需要一次訪問。
二、對齊規則
每個特定平臺上的編譯器都有自己的預設“對齊係數”(也叫對齊模數)。程式設計師可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是你要指定的“對齊係數”。
規則：
1、資料成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的資料成員，第一個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個資料成員
自身長度中，比較小的那個進行。
2、結構(或聯合)的整體對齊規則：在資料成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大資料成員長度中，比較小的那個進行。
3、結合1、2可推斷：當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。
三、試驗
下面我們通過一系列例子的詳細說明來證明這個規則
編譯器：GCC 3.4.2、VC6.0
平臺：Windows XP
典型的struct對齊
struct定義：
#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack(n)
首先確認在試驗平臺上的各個型別的size，經驗證兩個編譯器的輸出均為：
sizeof(char) = 1
sizeof(short) = 2
sizeof(int) = 4
試驗過程如下：通過#pragma pack(n)改變“對齊係數”，然後察看sizeof(struct test_t)的值。
1、1位元組對齊(#pragma pack(1))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 8 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(1)
struct test_t {
int a; /* 長度4 > 1 按1對齊；起始offset=0 0%1=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 > 1 按1對齊；起始offset=5 5%1=0；存放位置區間[5,6] */
char d; /* 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=7 7%1=0；存放位置區間[7] */
};
#pragma pack()
成員總大小=8
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 1) = 1
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 8 /* 8%1=0 */ [注1]
2、2位元組對齊(#pragma pack(2))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 10 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(2)
struct test_t {
int a; /* 長度4 > 2 按2對齊；起始offset=0 0%2=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 2 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 = 2 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 2 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 2) = 2
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 10 /* 10%2=0 */
3、4位元組對齊(#pragma pack(4))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(4)
struct test_t {
int a; /* 長度4 = 4 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 4 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 < 4 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 4 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 4) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */
4、8位元組對齊(#pragma pack(8))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(8)
struct test_t {
int a; /* 長度4 < 8 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 8 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 < 8 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 8 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 8) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */
5、16位元組對齊(#pragma pack(16))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員資料對齊
#pragma pack(16)
struct test_t {
int a; /* 長度4 < 16 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* 長度1 < 16 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* 長度2 < 16 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d; /* 長度1 < 16 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8] */
};
#pragma pack()
成員總大小=9
2) 整體對齊
整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 16) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */
8位元組和16位元組對齊試驗證明了“規則”的第3點：“當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果”。
記憶體分配與記憶體對齊是個很複雜的東西，不但與具體實現密切相關，而且在不同的作業系統，編譯器或硬體平臺上規則也不盡相同，雖然目前大多數系統/語言都具有自動管理、分配並隱藏低層操作的功能，使得應用程式編寫大為簡單，程式設計師不在需要考慮詳細的記憶體分配問題。但是，在系統或驅動級以至於高實時，高保密性的程式開發過程中，程式記憶體分配問題仍舊是保證整個程式穩定，安全，高效的基礎。