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C語言：內存字節對齊詳解

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1、什麼是對齊，以及爲何要對齊：

1. 現代計算機中內存空間都是按照byte劃分的，從理論上講彷佛對任何類型的變量的訪問能夠從任何地址開始，但實際狀況是在訪問特定變量的時候常常在特定的內存地址訪問，這就須要各種型數據按照必定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。

2. 對齊的做用和緣由：各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不一樣。一些平臺對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。其餘平臺可能沒有這種狀況， 可是最多見的是若是不按照適合其平臺的要求對數據存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。好比有些平臺每次讀都是從偶地址開始，若是一個int型（假設爲 32位）若是存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀週期就能夠讀出，而若是存放在奇地址開始的地方，就可能會須要2個讀週期，並對兩次讀出的結果的高低 字節進行拼湊才能獲得該int數據。顯然在讀取效率上降低不少。這也是空間和時間的博弈。

2、對齊的實現

一般，咱們寫程序的時候，不須要考慮對齊問題。編譯器會替咱們選擇適合目標平臺的對齊策略。固然，咱們也能夠通知給編譯器傳遞預編譯指令而改變對指定數據的對齊方法。
可是，正由於咱們通常不須要關心這個問題，因此由於編輯器對數據存放作了對齊，而咱們不瞭解的話，經常會對一些問題感到迷惑。最多見的就是struct數據結構的sizeof結果，出乎意料。爲此，咱們須要對對齊算法所瞭解。
對齊的算法：
因爲各個平臺和編譯器的不一樣，現以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器（32位x86平臺）爲例子，來討論編譯器對struct數據結構中的各成員如何進行對齊的。
設結構體以下定義：
struct A {
    int a;
    char b;
    short c;
};
結構體A中包含了4字節長度的int一個，1字節長度的char一個和2字節長度的short型數據一個。因此A用到的空間應該是7字節。可是由於編譯器要對數據成員在空間上進行對齊。
因此使用sizeof(strcut A)值爲8。
如今把該結構體調整成員變量的順序。
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
這時候一樣是總共7個字節的變量，可是sizeof(struct B)的值倒是12。
下面咱們使用預編譯指令#pragma pack (value)來告訴編譯器，使用咱們指定的對齊值來取代缺省的。
#progma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct C)值是8。

修改對齊值爲1：
#progma pack (1) /*指定按1字節對齊*/
struct D {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值爲7。

對於char型數據，其自身對齊值爲1，對於short型爲2，對於int,float,double類型，其自身對齊值爲4，單位字節。
這裏面有四個概念值：
1)數據類型自身的對齊值：就是上面交代的基本數據類型的自身對齊值。

2)指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

3)結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。

4)數據成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中較小的那個值。

       有了這些值，咱們就能夠很方便的來討論具體數據結構的成員和其自身的對齊方式。有 效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是表示「對齊在N上」，也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".而數據結構中 的數據變量都是按定義的前後順序來排放的。第一個數據變量的起始地址就是 數據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體自己也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量佔用總長度須要是對結構體有效對齊值的整 數倍，結合下面例子理解)。這樣就不難理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
假 設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值默認爲4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指 定對齊值4小，因此其有效對齊值爲1，因此其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值爲4，因此有效對齊值也爲 4，因此只能存放在起始地址爲0x0004到0x0007這四個連續的字節空間中，複覈0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊 值爲2，因此有效對齊值也是2，能夠存放在0x0008到0x0009這兩個字節空間中，符合0x0008%2=0。因此從0x0000到0x0009存 放的都是B內容。再看數據結構B的自身對齊值爲其變量中最大對齊值(這裏是b）因此就是4，因此結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節，（10＋2）％4＝0。因此0x0000A到0x000B也爲結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節,sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
第 一個變量b的自身對齊值爲1，指定對齊值爲2，因此，其有效對齊值爲1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變量，自身對齊值爲4，指定對齊值爲2，因此有效對齊值爲2，因此順序存放在0x000二、0x000三、0x000四、0x0005四個連續 字節中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值爲2，因此有效對齊值爲2，順序存放
在0x000六、0x0007中，符合 0x0006%2=0。因此從0x0000到0x00007共八字節存放的是C的變量。又C的自身對齊值爲4，因此 C的有效對齊值爲2。又8%2=0,C只佔用0x0000到0x0007的八個字節。因此sizeof(struct C)=8.

有 了以上的解釋，相信你對C語言的字節對齊概念應該有了清楚的認識了吧。在網絡程序中，掌握這個概念但是很重要的喔，在不一樣平臺之間（好比在Windows 和Linux之間）傳遞2進制流（好比結構體），那麼在這兩個平臺間必需要定義相同的對齊方式，否則莫名其妙的出了一些錯，但是很難排查的哦^_^。