内存对齐

0x00 前言

在缺省情况下，编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对齐条件分配空间。

在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界（alignment）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储（成员之间可能有插入的空字节），第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

0x01 影响因素

关系到内存对齐的两个重要因素：

数据成员对齐和结构整体对齐
#pragma pack(n) 设置对齐条件 // n 表示整数，n = 1, 2, 4, 8, ...

0x02 因素解释

i. 数据成员对齐和结构整体对齐

编译器缺省的结构成员自然对齐条件为“N字节对齐”，N即该成员数据类型的长度。

如：int型成员的自然对界条件为4字节对齐，而double类型的结构成员的自然对界条件为8字节对齐。
若该成员的起始偏移不位于该成员的“默认自然对界条件”上，则在前一个节面后面添加适当个数的空字节。

编译器缺省的结构整体的自然对齐条件为：该结构所有成员中要求的最大自然对齐条件。

若结构体各成员长度之和不为“结构整体自然对齐条件的整数倍，则在最后一个成员后填充空字节。

ii. #pragma pack(n)

改变默认的对齐条件。

- 使用伪指令#pragma pack (n)，编译器将按照 n 个字节对齐。
- 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

备注：

当 #pragma pack(n) 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。
对齐的原则是 min(sizeof(TYPE), n), TYPE 表示类型，比如： int、long 等。

0x03 情况一：默认的对齐条件（不设置 pack（n)）

    #include <iostream>
    
    // 不设置统一的对齐边界
    // #pragma pack(4)
    
    using namespace std;
    
    typedef struct {
        char a;
        char a1;
        long b;  // 8 bytes
        char c;
    } S1; // 24 bytes = 1(a) + 1(a1) + [6个对齐字节] + 8(b) + 1(c) + [7个对齐字节]
    
    typedef struct {
        char a;
        S1 s1;
        char b;
        char c;
    } S2; // 40 bytes = 1(a) + [7个对齐字节] + 24(s1) + 1（b） + 1（c) + [6个对齐字节] 
    
    typedef struct {
        int e;  // 4 bytes
        char f;
        short int a;  // 2 bytes
        char b;
    } S3; // 12 bytes = 4(e) + 1(f) + [1个对齐字节] + 2(a) + 1(b) + [3个对齐字节]
    
    typedef struct {
        int e;  // 4 bytes
        char f;
        int a;  // 4 bytes
        char b;
    } S4; // 16 bytes = 4(e) + 1(f) + [3个对齐字节] + 4(a) + 1(b) + [3个对齐字节]
    
    int main(int argc, char* argv[]) {
    
        cout << "sizeof int: " << sizeof(int) << endl;
    
        cout << "size of S1: " << sizeof(S1) << endl;
    
        cout << "size of S2: " << sizeof(S2) << endl;
    
        cout << "sizeof S3: " << sizeof(S3) << endl;
    
        cout << "sizeof S4: " << sizeof(S4) << endl;
    
        return 0;
    }

结果如下： 
sizeof int: 4
size of S1: 24
size of S2: 40
sizeof S3: 12
sizeof S4: 16

0x04 情况而：设置对齐条件 pack（n)

    #include <iostream>
    
    // 设置统一的对齐条件为 4 
    #pragma pack(4)
    
    using namespace std;
    
    typedef struct {
        char a;
        char a1;
        long b;  // 8 bytes
        char c;
    } S1; // 16 bytes = 1(a) + 1(a1) + [2个对齐字节] + 8(b) + 1(c) + [3个对齐字节]
    
    typedef struct {
        char a;
        S1 s1;
        char b;
        char c;
    } S2; // 24 bytes = 1(a) + [3个对齐字节] + 16(s1) + 1（b） + 1（c) + [2个对齐字节] 
    
    typedef struct {
        int e;  // 4 bytes
        char f;
        short int a;  // 2 bytes
        char b;
    } S3; // 12 bytes = 4(e) + 1(f) + [1个对齐字节] + 2(a) + 1(b) + [3个对齐字节]
    
    typedef struct {
        int e;  // 4 bytes
        char f;
        int a;  // 4 bytes
        char b;
    } S4; // 16 bytes = 4(e) + 1(f) + [3个对齐字节] + 4(a) + 1(b) + [3个对齐字节]
    
    int main(int argc, char* argv[]) {
    
        cout << "sizeof int: " << sizeof(int) << endl;
    
        cout << "size of S1: " << sizeof(S1) << endl;
    
        cout << "size of S2: " << sizeof(S2) << endl;
    
        cout << "sizeof S3: " << sizeof(S3) << endl;
    
        cout << "sizeof S4: " << sizeof(S4) << endl;
    
        return 0;
    }

结果如下： 
sizeof int: 4
size of S1: 16
size of S2: 24
sizeof S3: 12
sizeof S4: 16

从 S3 的对齐结果大小看：当 pack(n) 的 n 值大于类型的大小时，对齐大小参考类型的大小，也就是：对齐条件 = min(sizeof(TYPE), n).

by Hiko / 内存对齐