内存对齐 - 简书

内存对齐指的是结构体中对结构成员内存的一系列调整。通过调整offset位置，减少读取结构成员数据需要的CPU-> 内存读取次数。任何对象数据在底层实际上是结构体。

对齐规则

1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。

2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。

3、结合1、2可推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

是不是有一点眼晕？我自己总结的计算方法如下：

内存对齐原则 (简化版)：

找到最大的基础类型成员 , 将其内存长度作为基准

每个成员的offset，需要是成员自己类型的整数倍

放完之后，struct自身的数据需要为基准的整数倍

让我们看一个简单的数据：

struct Struct1 {
    double a; // 8
    char b;   // 1
    int c;    // 4
    short d;  // 2
}struct1;

1. 最长的元素是double，基准为8
2.
struct Struct1 {
    double a; // 长度为8 offset：0，0是8的整数倍，所以 a存放位置为 （0 - 7）
    char b;   //  长度为1 offset: 8  8是 1的整数倍，所以 b存放位置为 （8）
    int c;    //  长度为4 offset: 9  9不是4的整数倍，offset后移到 12 ，所以 c存放位置为 （12 - 15）
    short d;  //  长度为2 offset: 16  16是2的整数倍，所以 d存放位置为 （16 - 17）
}struct1;

3. 最终数据成员的整体内存占用位置为 （0 - 17），18个字节。18不是基准 8 的整数倍，因此填充到24.

最终 sizeof(struct1) 的大小为 24

如果我们稍微调整下数据顺序：

struct Struct2 {
    double a; // 8
// 这里调整了 b，c的顺序
    int b;    // 4
    char c;   // 1
    short d;  // 2
}struct2;

1. 最长的元素是double，基准为8
2.
struct Struct2 {
    double a; // 长度为8 offset：0，0是8的整数倍，所以 a存放位置为 （0 - 7）
    int b;   //  长度为4 offset: 8  8是 4的整数倍，所以 b存放位置为 （8 - 11）
    char c;    //  长度为1 offset:12  12是1的整数倍，所以 c存放位置为 （12）
    short d;  //  长度为2 offset: 13  13不是2的整数倍，offset后移到 14 所以 d存放位置为 （14 - 15）
}struct2;

3. 最终数据成员的整体内存占用位置为 （0 - 15），16个字节。16是基准 8 的整数倍，因此不需要填充。

最终 sizeof(struct2) 的大小为 16

成员为数组的情况:

内存对齐原则 ( ex1)：

找到最大的基础类型成员 , 将其内存长度作为基准（如果成员为数组，基准不按数组总长，而是按照数组元素类型来计算）

struct Struct3 {
    char a; // 1 (0)
    int b[2]; // b0 b1
    double c; //8
}struct3;

1. 最长的元素是double，基准为8
2.
struct Struct3 {
    char a; // 长度为1 offset:0 0是1的整数倍，所以 a存放位置为 （0）
    int b[2]; // b0  长度为4  0ffset:1  1不是4的整数倍，b0的offest后移到4，所以 b0存放位置为 （4 - 7）b1存放位置为 （8 - 11）
   double c; //长度为8 offset: 12 12不是8的整数倍，offset后移到 16 所以 d存放位置为 （16 - 23）
}struct3;

3. 最终数据成员的整体内存占用位置为 （0 - 23），24个字节。24是基准 8 的整数倍，因此不需要填充。

最终 sizeof(struct3) 的大小为 24

其实数组写法很类似下面的写法：

struct Struct3 {
    char a; 
    int b0;
    int b1;
    double c;
}struct3;

只要调整对了数组第一个元素的offset，数组后续元素自然可以对齐。

成员为struct的情况:

找到最大的基础类型成员 , 将其内存长度作为基准（如果成员为struct，基准不按子struct总长，而是max（子struct基准，剩余成员内存长度））

每个成员的offset，需要是成员自己类型的整数倍 (如果成员为struct, 只需是成员struct 基准的整数倍而不是总长的整数倍)

struct Struct1 {
    double a; // 8
    char b;   // 1
    int c;    // 4
    short d;  // 2
}struct1;


struct Struct4 {
    int b;   // 4 // (0-3)
    char c;    // 1 //  (4)
    struct Struct1 s1; // a:8 (8 - 15) b:1 (16) c:4 (20 - 23) d:2 (24-25) (8 - 25) 18字节 ->
    short d;  // 2 // 38 (36 - 37)
}struct4;

1. Struct1的基准为8，除Struct1 s1外，Struct4最长的元素是int 长为4，基准为max（8，4） = 8

2. 

struct Struct4 {
    int b;   // 4 // offset：0 ，存放位置： (0-3)
    char c;    // 1 //  offset：4，存放位置： (4)
    struct Struct1 s1; 
/**  a: 长度: 8 offset：5 -> 8  存放位置： (8 - 15)
      b:长度: 1  offset：16  存放位置：(16)
      c: 长度: 4 offset：17 -> 20 存放位置： (20 - 23) 
      d: 长度:  2 offset：24  存放位置： (24-25) 
      s1 总体位置：(8 - 25) 18字节 -> 填充 （8 - 31）24字节
**/
    short d;  // 2 // offset：32，存放位置： (32 - 33)
}struct4;

3. 总体位置 （0 - 33） 长度为 34，不是8的倍数，填充到 40 

最终 sizeof(struct4) 的大小为 40

附表：

基础数据表

image.png

2.内存分布查看方法：

po &struct4 -> 0x00000001014cc600

x/8gx 0x00000001014cc600