理解内存对齐

本文主要是介绍理解内存对齐，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

序言

 相信大家已经看过不少关于如何计算内存对齐的文章了，但是大家大家有思考过吗，为什么需要内存对齐？为什么要做浪费内存资源的事？直接让数据挨在一起不就行了吗？本篇文章将简单介绍为什么需要内存对齐，以及理解了之后，我们再来看内存对齐。

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1. 为什么需要内存对齐

 当我们在看一本英语书时，对于熟悉的单词，我们在大脑里面会迅速的反应，并将它翻译为对应的中文含义。但是，当一个单词出现如下情况：

diffe
rence

乍一看，我们会稍微反应一下，然后大脑会反应出，哦原来这是 difference 。当一本书中这种情况多了，就会大大降低我们的阅读效率！

 内存大家并不陌生，但是当内存和 CPU 进行数据交换时，一次交换的数据大小是一个字节吗？不是的，通常来说，是以一个字（32位下 4 字节，64位下 8 字节）来进行数据交换。再结合一段程序（本文都是 32位下）能更好的说明：

struct stu1
{char a; // 1int b; // 4
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl;return 0;
}

如果不内存对齐的话，这个程序的输出结果是 5！内存上是这样的：

一个字长大小为 4 字节，如果 CPU 现在需要成员变量 b，需要读取两次，第一次读取获取高三个字节，最后一次获取一个字节。但是通过内存对齐后，是这样的：

这只需要读取一次就好啦！

 大家会认为内存读取数据的速度很快呀，读取两次和一次差不多吧？对 CPU 来说，简直是天差地别！在他眼里就一直等待… 所以为了加快 CPU 获取数据的速度，使用了内存对齐 — 加快访问速度，提高 CPU 执行效率！利用空间换取时间！

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2. 内存对齐的规则

2.1 默认对齐数

 当每一次对齐时，我们需要将该数据的大小和默认对齐数进行比较，使用 较小的那一个作为对齐数！ 默认对齐数设置方式也很简单，#pragma pack(n) 指令可以将默认的对齐数设置为 n，其中 n 可以是 1、2、4、8、16 等值，具体取决于编译器的支持。这意味着结构体中的成员将按照 n 字节对齐，而不是编译器默认的对齐方式。
 举个栗子：

#pragma pack(8) // 对齐数为 8struct stu1
{char a;int b;
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl; // 输出结果 8return 0;
}
-------------------------------------手动分割线#pragma pack(1) // 对齐数为 1struct stu1
{char a;int b;
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl; // 输出结果 5return 0;
}

 有些时候，虽然效率是加快了，但是浪费空间的缺点也不容小觑，对于对内存高度紧张的环境，我们就可以适当调节默认对齐数的大小。

2.2 只包含内置类型的场景

 在这个场景下结构体中只包含内置类型，默认对齐数为 4：

struct stu1
{int a; // 4char b; // 1double c; // 8short d; // 2long long e; // 8
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl;return 0;
}

具体怎么计算的呢，在这里我将介绍我自己使用的方法：

1. 从 a 开始，int 为 4 字节，和默认对齐数取小也是 4，从初始地址 1 开始占 4 个字节，现在地址更新到 4；
2. b，char 为 1 字节，和默认对齐数取小是 1，不需要对齐，从地址 4 开始占 1 个字节，现在地址更新到 5；
3. c，double 为 8 字节，和默认对齐数取小是 4，需要对齐，到最近往后 4 的整数倍，从地址 8 开始占 8 个字节，现在地址更新到 16；
4. d，short 为 2 字节，和默认对齐数取小是 2，不需要对齐，从地址 16 开始占 2 个字节，现在地址更新到 20；
5. e，long long 为 8 字节，和默认对齐数取小是 4，不需要对齐，从地址 20 开始占 8 个字节，现在地址更新到 28；
6. 最后整个结构体的大小为 最大类型 和 默认对齐数 取小 的整数倍，最大类型为 long long 8 字节，默认对齐数取小是 4；28 已经是 4 的整数倍，所以结果是 28。

我们看看程序的输出：

2.3 内嵌结构体的场景

 对于内嵌结构体的场景，我们需要多一项关注 该结构体开始的位置需要是该结构体的最大类型（也要和默认对齐数取小）的整数倍！

#pragma pack(4)struct stu2
{int* ptr; // 4char ch; // 1
};struct stu1
{int a; // 4char b; // 1stu2 st; long long c; // 8
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl;return 0;
}

在这里我们先计算 stu2 结构体的大小：

1. 从 ptr 开始，int* 为 4 字节，和默认对齐数取小也是 4，从初始地址 1 开始占 4 个字节，现在地址更新到 4；
2. ch，char 为 1 字节，和默认对齐数取小是 1，不需要对齐，从地址 4 开始占 1 个字节，现在地址更新到 5；
3. 最后整个结构体的大小为 最大类型 和 默认对齐数 取小 的整数倍，最大类型为 int* 4 字节，默认对齐数取小是 4；5 不是 4 的整数倍，所以到最近往后 4 的整数倍 8

所以该结构体的大小就是 8 字节。

现在我们开始计算 stu1 结构体的大小：

1. 从 a 开始，int 为 4 字节，和默认对齐数取小也是 4，从初始地址 1 开始占 4 个字节，现在地址更新到 4；
2. b，char 为 1 字节，和默认对齐数取小是 1，不需要对齐，从地址 4 开始占 1 个字节，现在地址更新到 5；
3. st，stu2 为 8 字节，该结构体最大类型和默认对齐数取小是 4，需要对齐，到最近往后 4 的整数倍，从地址 8 开始占 8 个字节，现在地址更新到 16；
4. c，long long 为 8 字节，和默认对齐数取小是 4，不需要对齐，从地址 16 开始占 8 个字节，现在地址更新到 24；
5. 最后整个结构体的大小为 最大类型 和 默认对齐数 取小 的整数倍，最大类型为 long long 8 字节，默认对齐数取小是 4；24 已经是 4 的整数倍，所以结果是 24。
   
   

2.4 类中的其他成员

 我们还需要关注在类中的其他成员比如，静态成员函数，成员函数：

struct stu1
{char a;int b;static int c;void Print() {}
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl;return 0;
}

在这里如果不存在后两者，stu1 的大小肯定是 8，加上两者呢？

怎么还是 8 呀？这是因为 成员函数和静态成员变量不独属于任何一个对象，他们属于这个类！sizeof 是计算该对象的大小，自然不算这两者！

2.5 包含虚函数的类

 请记住包含虚函数的类，还额外包含一个隐含的成员变量 — 虚函数表指针位于对象首部，他的对齐方式也很特殊 和类中的最大类型一致！在这里就不做演示了，大家可以自己尝试计算一下（依旧在 32 位下，但是默认对齐数产生了变化）：

#pragma pack(8)struct stu1
{char a;long long b;virtual void Print() {}
};int main()
{std::cout << sizeof(stu1) << std::endl;return 0;
}

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3. 总结

 在这里我们简单说了一下问什么需要内存对齐？以及内存对齐的相应场景，希望大家有所收获！

这篇关于理解内存对齐的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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