C++字节对齐详细解读

字节对齐

简介

探究字节对齐之前应当先思考一个问题，为什么需要字节对齐？或者说字节对齐有什么好处？

主要是为了提高访存的效率，因为对齐后的字节访存效率会更高。计算机底层存储硬件比如说内存、CPU cache、寄存器等的访问都不是一次一个字节，而是一次一批或者这一次一组字节的访问。

字(word)：CPU指令处理的数据单元，分为WORD(16bits)、DWORD(32bits)、QWORD(64bits)
寄存器(register)：CPU通用寄存器通常是64bits，也允许访问寄存器的前8bits、前16bits、前32bits。
页(page)：一个页大小通常是4096字节。

假设一个4字节的整除原本只需要一次访问，如果字节分配不当会使得原本只需一次访问的操作，多增加一次访问，访问效率大大降低。

所以字节对齐的本质就是在内存空间占用和访存效率之间做折中。C/C++编译器会自动处理struct的内对齐，同时提供了一些机制让程序员手动控制内存对齐#pragma pack()。

对齐方式

对齐方式（变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量）

char偏移量必须为sizeof(char)即1的倍数
int 偏移量必须为sizeof(int)即4的倍数
float 偏移量必须为sizeof(float)即4的倍数
double 偏移量必须为sizeof(double)即8的倍数
Short 偏移量必须为sizeof(short)即2的倍数

成员变量根据在结构中出现的顺序依次申请空间，同时按照上面的对齐方式调整位置，空缺的字节VC会自动填充。

同时，为了确保结构的大小是结构的字节边界数（即该结构中占用最大空间的类型所占用的字节数）的倍数，所以在为最后一个成员变量申请空间后，还会根据需要自动填充空缺的字节。

举例说明

struct  myStruct{
	double a;
	char b;
	int c;
}; // 16 bytes

在这里插入图片描述

显然，该结构体内存并非是8 + 1 + 4 = 13，那么，这个空间大小是怎么来的？如下所示：

首先按照声明顺序进行内存分配，先为第一个成员a分配空间，该变量的起始地址与结构的起始地址一致（偏移量为0刚好为sizeof(double)的倍数），该成员变量占用了8个字节；
随后为第二个成员变量分配内存，此时变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量为8，是sizeof(char)的倍数，存放在偏移量为8的地方满足对齐方式。
最后为第三个成员变量分配内存，此时变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量为9，显然并不是sizeof(int)的倍数，所以VC需要自动填充3个字节，使得偏移量为12，刚好是sizeof(int)=4的倍数，所以把c存放在偏移量为12的地方，该成员变量占用sizeof(int)=4个字节。
这时整个结构的成员变量已经都分配了空间，总的占用的空间大小为：8+1+3+4=16，刚好为结构的字节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8)的倍数，所以没有空缺的字节需要填充。所以整个结构的大小为：sizeof(MyStruct)=8+1+ 3+4=16，其中有3个字节是VC自动填充的，没有放任何有意义的东西。

struct MyStruct {
	char a;
	double b;
	int c;
}; // 24 bytes

在这里插入图片描述

首先按照声明顺序进行内存分配，先为第一个成员a分配空间，该变量的起始地址与结构的起始地址一致（偏移量为0刚好为sizeof(double)的倍数），该成员变量占用了1个字节；
随后为第二个成员变量分配内存，此时变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量为1，显然并不是sizeof(double)的倍数，所以VC需要自动填充7个字节，使得偏移量为8，刚好是sizeof(double)=8的倍数，所以把b存放在偏移量为8的地方，该成员变量占用sizeof(double)=8个字节。
最后为第三个成员变量分配内存，此时变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量为9，显然并不是sizeof(int)的倍数，所以VC需要自动填充3个字节，使得偏移量为12，刚好是sizeof(int)=4的倍数，所以把c存放在偏移量为12的地方，该成员变量占用sizeof(int)=4个字节。
这时整个结构的成员变量已经分配了8+8+4 = 20个字节，不是结构的节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8）的倍数，所以需要填充4个字节，以满足结构的大小为sizeof(double)=8的倍数。

拓展

以#pragma pack(x)中x和结构体中占用空间最大的成员做比较，取两者的最小值为n
以n值与结构体每个成员比较，得到的最小值赋值给m[x]。
据每个成员的大小依次向内存中填充数据，要求填充成员的起始地址减去结构体起始地址的差值（即偏移量）可以整除m[x]，如不能整除则向后移动，直到可以整除再填充成员到内存中
当全部成员填充完毕后所占用的字节数若不能整除n，则扩充内存至可以整除n为止

例子一：

#pragma pack(4)// 编译器将按照n个字节对齐
struct myStruct
{
    int a;  // 4 bytes
    char b; // 4 bytes
    int c;  // 4 bytes
    short d;    // 4bytes
};  // 16 bytes
#pragma pack() // 编译器将取消自定义字节对齐方式

例子二：

#pragma pack(4)// 编译器将按照n个字节对齐
struct myStruct	
{
    int a;  // 4 bytes
    char b; // 2 bytes
    short d;    // 2bytes
    int c;  // 4 bytes
    
};  // 12 bytes
#pragma pack() // 编译器将取消自定义字节对齐方式