深入理解c/c++ 内存对齐

深入理解C/C++内存对齐攻略

什么是内存对齐

内存对齐是为了效率而生。现代 CPU 的内存存储是以字节为单位的，每个变量被加载到内存时，它们都会被分配一个地址。但是，CPU 在处理内存的时候，通常会以块为单位的方式处理：如果我们尝试将不同类型的变量加载到同一个块中，则需要考虑块的大小，以哪种顺序分配变量的内存空间等。因此，内存对齐是指将每个变量（或结构体的成员变量）放置在内存中的位置，以便提高程序的运行效率。

C/C++中的内存对齐规则

C/C++中的内存对齐规则是根据 CPU 架构而定的，这是因为不同的架构处理内存的方式可能不同。通常，CPU 处理内存时会使用某种对齐模式，即内存地址必须是某个值的倍数。

在 C/C++ 中，内存对齐的规则可以通过以下方式进行指定：

• 对于基本数据类型，其大小通常是 1、2、4 或 8 个字节，它们需要按其大小进行对齐。
• 对于结构体，其大小通常是其成员变量大小的总和，但结构体需要按照其最大成员变量大小进行对齐。
• 对于 union ，只保证其首元素的地址和 union 对象的地址是一样的，不要在 union 中使用 struct。

案例分析

案例1：结构体对齐

结构体在存储的时候，存储的起始位置默认是成员变量中占用内存最大的类型的整数倍，即整个结构体的大小需要是成员变量中最大类型（下文中的 “最大类型”）的整数倍。

例如，下面的这个结构体中成员变量 a 占用一个字节，成员变量 b 占用四个字节，成员变量 c 占用两个字节，我们可以先算出这个结构体的大小：

1 + 4 + 2 = 7

根据内存对齐规则，最大类型是 int ，需要将该结构体每个成员变量的首地址对齐到 4 的倍数上，因此结构体的大小被调整为 8：

struct align {
    char a;
    int b;
    short c;
};

案例2：指针对齐

指针变量本身的大小是在不同的平台中并不相同的，占用的字节数一般为 4 或 8 字节。因此，指针变量的大小也需要被对齐。

在下面的例子中，由于我们使用了指针，因此变量 c 会被对齐到 8 字节的边界上：

typedef struct align {
    long a;
    char b;
    void *c;
    short d;
    char *e;
} align_t;

结论

内存对齐是编写高效 C/C++ 代码的重要因素之一。了解内存对齐的规则和原则有助于编写出更安全、更稳定、更高效的程序。对于那些需要访问硬件或执行高速计算的应用程序来说，更为严格的内存对齐规则也可能是必须的。