轉(zhuǎn)自http://www.yuanma.org/data/2006/0723/article_1213.htm

一.什么是字節(jié)對齊,為什么要對齊?

    現(xiàn)代計算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經(jīng)常在特 定的內(nèi)存地址訪問，這就需要各種類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)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。
    對齊的作用和原因：各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開始存取。比如有些架構(gòu)的CPU在訪問 一個沒有進(jìn)行對齊的變量的時候會發(fā)生錯誤,那么在這種架構(gòu)下編程必須保證字節(jié)對齊.其他平臺可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平臺要求對 數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設(shè)為32位系統(tǒng)）如果存放在偶地址開始的地方，那 么一個讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開始的地方，就需要2個讀周期，并對兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該32bit數(shù) 據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。

二.字節(jié)對齊對程序的影響:

    先讓我們看幾個例子吧(32bit,x86環(huán)境,gcc編譯器):
設(shè)結(jié)構(gòu)體如下定義：
struct A
{
    int a;
    char b;
    short c;
};
struct B
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
現(xiàn)在已知32位機(jī)器上各種數(shù)據(jù)類型的長度如下:
char:1(有符號無符號同)    
short:2(有符號無符號同)    
int:4(有符號無符號同)    
long:4(有符號無符號同)    
float:4    double:8
那么上面兩個結(jié)構(gòu)大小如何呢?
結(jié)果是:
sizeof(strcut A)值為8
sizeof(struct B)的值卻是12

結(jié)構(gòu)體A中包含了4字節(jié)長度的int一個，1字節(jié)長度的char一個和2字節(jié)長度的short型數(shù)據(jù)一個,B也一樣;按理說A,B大小應(yīng)該都是7字節(jié)。
之所以出現(xiàn)上面的結(jié)果是因為編譯器要對數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對齊。上面是按照編譯器的默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行對齊的結(jié)果,那么我們是不是可以改變編譯器的這種默認(rèn)對齊設(shè)置呢,當(dāng)然可以.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對齊值為1：
#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對齊*/
struct D
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/
sizeof(struct D)值為7。
后面我們再講解#pragma pack()的作用.

三.編譯器是按照什么樣的原則進(jìn)行對齊的?

    先讓我們看四個重要的基本概念：
1.數(shù)據(jù)類型自身的對齊值：
  對于char型數(shù)據(jù)，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，單位字節(jié)。
2.結(jié)構(gòu)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。
3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
4.數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有 了這些值，我們就可以很方便的來討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0".而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長度需要是對結(jié)構(gòu)體有效對齊值的整數(shù) 倍，結(jié)合下面例子理解)。這樣就不能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(shè)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(huán)境下，該值默認(rèn)為4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認(rèn)指定 對齊值4小，所以其有效對齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值為4，所以有效對齊值也為4， 所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值為 2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的 都是B內(nèi)容。再看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這里是b）所以就是4，所以結(jié)構(gòu)體的有效對齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節(jié)，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節(jié),sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已將滿足字節(jié)對齊了, 因為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在后面補(bǔ)充2個字節(jié),是因為編譯器為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)組的存取效率,試想如果我們定義了一個結(jié)構(gòu)B的數(shù)組,那 么第一個結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個結(jié)構(gòu)呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結(jié)構(gòu)的大小補(bǔ)充為4的整數(shù)倍,那么下一 個結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結(jié)構(gòu)的地址對齊了,因此我們要把結(jié)構(gòu)補(bǔ)充成有效對齊大小的整數(shù)倍.其實諸如:對于char型數(shù)據(jù)，其 自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，這些已有類型的自身對齊值也是基于數(shù)組考慮的,只 是因為這些類型的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/
第 一個變量b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，所以，其有效對齊值為1，假設(shè)C從0x0000開始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變量，自身對齊值為4，指定對齊值為2，所以有效對齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù) 字節(jié)中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值為2，所以有效對齊值為2，順序存放
在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4，所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C 只占用0x0000到0x0007的八個字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.

四.如何修改編譯器的默認(rèn)對齊值?

1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，默認(rèn)是8字節(jié)。
2.在編碼時，可以這樣動態(tài)修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.針對字節(jié)對齊,我們在編程中如何考慮?

    如果在編程的時候要考慮節(jié)約空間的話,那么我們只需要假定結(jié)構(gòu)的首地址是0,然后各個變量按照上面的原則進(jìn)行排列即可,基本的原則就是把結(jié)構(gòu)中的變量按照 類型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補(bǔ)空間.還有一種就是為了以空間換取時間的效率,我們顯示的進(jìn)行填補(bǔ)空間進(jìn)行對齊,比如:有一種使用空間換時間做 法是顯式的插入reserved成員：
         struct A{
           char a;
           char reserved[3];//使用空間換時間
           int b;
}

reserved成員對我們的程序沒有什么意義,它只是起到填補(bǔ)空間以達(dá)到字節(jié)對齊的目的,當(dāng)然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補(bǔ)對齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.

六.字節(jié)對齊可能帶來的隱患:

    代碼中關(guān)于對齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的時候。例如：
unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;
最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪問unsignedshort型變量，顯然不符合對齊的規(guī)定。
在x86上，類似的操作只會影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個error,因為它們要求必須字節(jié)對齊.

七.如何查找與字節(jié)對齊方面的問題:

如果出現(xiàn)對齊或者賦值問題首先查看
1. 編譯器的big little端設(shè)置
2. 看這種體系本身是否支持非對齊訪問
3. 如果支持看設(shè)置了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標(biāo)志其特殊訪問操作。

八.相關(guān)文章:轉(zhuǎn)自http://blog.csdn.net/goodluckyxl/archive/2005/10/17/506827.aspx

 ARM下的對齊處理
from DUI0067D_ADS1_2_CompLib

3.13 type  qulifiers

有部分摘自ARM編譯器文檔對齊部分

對齊的使用:
1.__align(num)
   這個用于修改最高級別對象的字節(jié)邊界。在匯編中使用LDRD或者STRD時
   就要用到此命令__align(8)進(jìn)行修飾限制。來保證數(shù)據(jù)對象是相應(yīng)對齊。
   這個修飾對象的命令最大是8個字節(jié)限制,可以讓2字節(jié)的對象進(jìn)行4字節(jié)
   對齊,但是不能讓4字節(jié)的對象2字節(jié)對齊。
   __align是存儲類修改,他只修飾最高級類型對象不能用于結(jié)構(gòu)或者函數(shù)對象。
  
2.__packed
  __packed是進(jìn)行一字節(jié)對齊
  1.不能對packed的對象進(jìn)行對齊
  2.所有對象的讀寫訪問都進(jìn)行非對齊訪問
  3.float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用__packed的對象將不能字節(jié)對齊
  4.__packed對局部整形變量無影響
  5.強(qiáng)制由unpacked對象向packed對象轉(zhuǎn)化是未定義,整形指針可以合法定
  義為packed。
     __packed int* p;  //__packed int 則沒有意義
  6.對齊或非對齊讀寫訪問帶來問題
  __packed struct STRUCT_TEST
 {
  char a;
  int b;
  char c;
 }  ;    //定義如下結(jié)構(gòu)此時b的起始地址一定是不對齊的
         //在棧中訪問b可能有問題,因為棧上數(shù)據(jù)肯定是對齊訪問[from CL]
//將下面變量定義成全局靜態(tài)不在棧上
static char* p;
static struct STRUCT_TEST a;
void Main()
{
 __packed int* q;  //此時定義成__packed來修飾當(dāng)前q指向為非對齊的數(shù)據(jù)地址下面的訪問則可以

 p = (char*)&a;         
 q = (int*)(p+1);     
 
 *q = 0x87654321;
/*  
得到賦值的匯編指令很清楚
ldr      r5,0x20001590 ; = #0x12345678
[0xe1a00005]   mov      r0,r5
[0xeb0000b0]   bl       __rt_uwrite4  //在此處調(diào)用一個寫4byte的操作函數(shù)
     
[0xe5c10000]   strb     r0,[r1,#0]   //函數(shù)進(jìn)行4次strb操作然后返回保證了數(shù)據(jù)正確的訪問
[0xe1a02420]   mov      r2,r0,lsr #8
[0xe5c12001]   strb     r2,[r1,#1]
[0xe1a02820]   mov      r2,r0,lsr #16
[0xe5c12002]   strb     r2,[r1,#2]
[0xe1a02c20]   mov      r2,r0,lsr #24
[0xe5c12003]   strb     r2,[r1,#3]
[0xe1a0f00e]   mov      pc,r14
*/

/*
如果q沒有加__packed修飾則匯編出來指令是這樣直接會導(dǎo)致奇地址處訪問失敗
[0xe59f2018]   ldr      r2,0x20001594 ; = #0x87654321
[0xe5812000]   str      r2,[r1,#0]
*/