文章最后本人做了一幅圖，一看就明白了，這個(gè)問(wèn)題網(wǎng)上講的不少，但是都沒(méi)有把問(wèn)題說(shuō)透。
一、概念
對(duì)齊跟數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置有關(guān)。如果一個(gè)變量的內(nèi)存地址正好位于它長(zhǎng)度的整數(shù)倍，他就被稱(chēng)做自然對(duì)齊。比如在32位cpu下，假設(shè)一個(gè)整型變量的地址為0x00000004，那它就是自然對(duì)齊的。
二、為什么要字節(jié)對(duì)齊
需要字節(jié)對(duì)齊的根本原因在于CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)的效率問(wèn)題。假設(shè)上面整型變量的地址不是自然對(duì)齊，比如為0x00000002，則CPU如果取它的值的話需要訪問(wèn)兩次內(nèi)存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個(gè)short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個(gè)short然后組合得到所要的數(shù)據(jù)，如果變量在0x00000003地址上的話則要訪問(wèn)三次內(nèi)存，第一次為char，第二次為short，第三次為char，然后組合得到整型數(shù)據(jù)。而如果變量在自然對(duì)齊位置上，則只要一次就可以取出數(shù)據(jù)。一些系統(tǒng)對(duì)對(duì)齊要求非常嚴(yán)格，比如sparc系統(tǒng)，如果取未對(duì)齊的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，舉個(gè)例：
char ch[8];
char *p = &ch[1];
int i = *(int *)p;
運(yùn)行時(shí)會(huì)報(bào)segment error，而在x86上就不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，只是效率下降。
三、正確處理字節(jié)對(duì)齊
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型，它的地址只要是它的長(zhǎng)度的整數(shù)倍就行了，而非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型按下面的原則對(duì)齊：
數(shù)組 ：按照基本數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)齊，第一個(gè)對(duì)齊了后面的自然也就對(duì)齊了。
聯(lián)合 ：按其包含的長(zhǎng)度最大的數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)齊。
結(jié)構(gòu)體： 結(jié)構(gòu)體中每個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型都要對(duì)齊。
比如有如下一個(gè)結(jié)構(gòu)體：
struct stu{
char sex;
int length;
char name[10];
};
struct stu my_stu;
由于在x86下，GCC默認(rèn)按4字節(jié)對(duì)齊，它會(huì)在sex后面跟name后面分別填充三個(gè)和兩個(gè)字節(jié)使length和整個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)齊。于是我們sizeof(my_stu)會(huì)得到長(zhǎng)度為20，而不是15.
四、__attribute__選項(xiàng)
我們可以按照自己設(shè)定的對(duì)齊大小來(lái)編譯程序，GNU使用__attribute__選項(xiàng)來(lái)設(shè)置，比如我們想讓剛才的結(jié)構(gòu)按一字節(jié)對(duì)齊，我們可以這樣定義結(jié)構(gòu)體
struct stu{
char sex;
int length;
char name[10];
}__attribute__ ((aligned (1)));
struct stu my_stu;
則sizeof(my_stu)可以得到大小為15。
上面的定義等同于
struct stu{
char sex;
int length;
char name[10];
}__attribute__ ((packed));
struct stu my_stu;
__attribute__((packed))得變量或者結(jié)構(gòu)體成員使用最小的對(duì)齊方式，即對(duì)變量是一字節(jié)對(duì)齊，對(duì)域（field）是位對(duì)齊.
五、什么時(shí)候需要設(shè)置對(duì)齊
在設(shè)計(jì)不同CPU下的通信協(xié)議時(shí)，或者編寫(xiě)硬件驅(qū)動(dòng)程序時(shí)寄存器的結(jié)構(gòu)這兩個(gè)地方都需要按一字節(jié)對(duì)齊。即使看起來(lái)本來(lái)就自然對(duì)齊的也要使其對(duì)齊，以免不同的編譯器生成的代碼不一樣.
一、快速理解
1. 什么是字節(jié)對(duì)齊？
在C語(yǔ)言中，結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類(lèi)型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型（如數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合等）的數(shù)據(jù)單元。在結(jié)構(gòu)中，編譯器為結(jié)構(gòu)的每個(gè)成員按其自然邊界（alignment）分配空間。各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲(chǔ)，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)結(jié)構(gòu)的地址相同。
為了使CPU能夠?qū)ψ兞窟M(jìn)行快速的訪問(wèn),變量的起始地址應(yīng)該具有某些特性,即所謂的”對(duì)齊”. 比如4字節(jié)的int型,其起始地址應(yīng)該位于4字節(jié)的邊界上,即起始地址能夠被4整除.
2. 字節(jié)對(duì)齊有什么作用？
字節(jié)對(duì)齊的作用不僅是便于cpu快速訪問(wèn)，同時(shí)合理的利用字節(jié)對(duì)齊可以有效地節(jié)省存儲(chǔ)空間。
對(duì)于32位機(jī)來(lái)說(shuō)，4字節(jié)對(duì)齊能夠使cpu訪問(wèn)速度提高，比如說(shuō)一個(gè)long類(lèi)型的變量，如果跨越了4字節(jié)邊界存儲(chǔ)，那么cpu要讀取兩次，這樣效率就低了。但是在32位機(jī)中使用1字節(jié)或者2字節(jié)對(duì)齊，反而會(huì)使變量訪問(wèn)速度降低。所以這要考慮處理器類(lèi)型，另外還得考慮編譯器的類(lèi)型。在vc中默認(rèn)是4字節(jié)對(duì)齊的，GNU gcc 也是默認(rèn)4字節(jié)對(duì)齊。
3. 更改C編譯器的缺省字節(jié)對(duì)齊方式
在缺省情況下，C編譯器為每一個(gè)變量或是數(shù)據(jù)單元按其自然對(duì)界條件分配空間。一般地，可以通過(guò)下面的方法來(lái)改變?nèi)笔〉膶?duì)界條件：
· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個(gè)字節(jié)對(duì)齊。
· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對(duì)齊方式。
另外，還有如下的一種方式：
· __attribute((aligned (n)))，讓所作用的結(jié)構(gòu)成員對(duì)齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長(zhǎng)度大于n，則按照最大成員的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)齊。
· __attribute__ ((packed))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過(guò)程中的優(yōu)化對(duì)齊，按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對(duì)齊。
4. 舉例說(shuō)明
例1
struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
由于編譯器默認(rèn)情況下會(huì)對(duì)這個(gè)struct作自然邊界（有人說(shuō)“自然對(duì)界”我覺(jué)得邊界更順口）對(duì)齊，結(jié)構(gòu)的第一個(gè)成員x1，其偏移地址為0，占據(jù)了第1個(gè)字節(jié)。第二個(gè)成員x2為short類(lèi)型，其起始地址必須2字節(jié)對(duì)界，因此，編譯器在x2和x1之間填充了一個(gè)空字節(jié)。結(jié)構(gòu)的第三個(gè)成員x3和第四個(gè)成員x4恰好落在其自然邊界地址上，在它們前面不需要額外的填充字節(jié)。在test結(jié)構(gòu)中，成員x3要求4字節(jié)對(duì)界，是該結(jié)構(gòu)所有成員中要求的最大邊界單元，因而test結(jié)構(gòu)的自然對(duì)界條件為4字節(jié)，編譯器在成員x4后面填充了3個(gè)空字節(jié)。整個(gè)結(jié)構(gòu)所占據(jù)空間為12字節(jié)。
例2
#pragma pack(1) //讓編譯器對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)作1字節(jié)對(duì)齊
struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
#pragma pack() //取消1字節(jié)對(duì)齊，恢復(fù)為默認(rèn)4字節(jié)對(duì)齊
這時(shí)候sizeof(struct test)的值為8。
例3
#define GNUC_PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
}GNUC_PACKED;
這時(shí)候sizeof(struct test)的值仍為8。
二、深入理解
什么是字節(jié)對(duì)齊,為什么要對(duì)齊?
TragicJun 發(fā)表于 2006-9-18 9:41:00 現(xiàn)代計(jì)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(duì)任何類(lèi)型的變量的訪問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，但實(shí)際情況是在訪問(wèn)特定類(lèi)型變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問(wèn)，這就需要各種類(lèi)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(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。
對(duì)齊的作用和原因：各個(gè)硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同。一些平臺(tái)對(duì)某些特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開(kāi)始存取。比如有些架構(gòu)的CPU在訪問(wèn)一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行對(duì)齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤,那么在這種架構(gòu)下編程必須保證字節(jié)對(duì)齊.其他平臺(tái)可能沒(méi)有這種情況，但是最常見(jiàn)的是如果不按照適合其平臺(tái)要求對(duì)數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對(duì)齊，會(huì)在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。比如有些平臺(tái)每次讀都是從偶地址開(kāi)始，如果一個(gè)int型（假設(shè)為32位系統(tǒng)）如果存放在偶地址開(kāi)始的地方，那么一個(gè)讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開(kāi)始的地方，就需要2個(gè)讀周期，并對(duì)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(duì)齊對(duì)程序的影響:
先讓我們看幾個(gè)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(lèi)型的長(zhǎng)度如下:
char:1(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)
short:2(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)
int:4(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)
long:4(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)
float:4 double:8
那么上面兩個(gè)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(zhǎng)度的int一個(gè)，1字節(jié)長(zhǎng)度的char一個(gè)和2字節(jié)長(zhǎng)度的short型數(shù)據(jù)一個(gè),B也一樣;按理說(shuō)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?yàn)榫幾g器要對(duì)數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對(duì)齊。上面是按照編譯器的默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行對(duì)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(duì)齊設(shè)置呢,當(dāng)然可以.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對(duì)齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對(duì)齊值為1：
#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對(duì)齊*/
struct D
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
sizeof(struct D)值為7。
后面我們?cè)僦v解#pragma pack()的作用.
三.編譯器是按照什么樣的原則進(jìn)行對(duì)齊的?
先讓我們看四個(gè)重要的基本概念：
1.數(shù)據(jù)類(lèi)型自身的對(duì)齊值：
對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其自身對(duì)齊值為1，對(duì)于short型為2，對(duì)于int,float,double類(lèi)型，其自身對(duì)齊值為4，單位字節(jié)。
2.結(jié)構(gòu)體或者類(lèi)的自身對(duì)齊值：其成員中自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值。
3.指定對(duì)齊值：#pragma pack (value)時(shí)的指定對(duì)齊值value。
4.數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類(lèi)的有效對(duì)齊值：自身對(duì)齊值和指定對(duì)齊值中小的那個(gè)值。
有了這些值，我們就可以很方便的來(lái)討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對(duì)齊方式。有效對(duì)齊值N是最終用來(lái)決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值，最重要。有效對(duì)齊N，就是表示“對(duì)齊在N上”，也就是說(shuō)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(lái)排放的。第一個(gè)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(duì)齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對(duì)齊值圓整(就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長(zhǎng)度需要是對(duì)結(jié)構(gòu)體有效對(duì)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(gè)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(kāi)始排放。該例子中沒(méi)有定義指定對(duì)齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認(rèn)為4。第一個(gè)成員變量b的自身對(duì)齊值是1，比指定或者默認(rèn)指定對(duì)齊值4小，所以其有效對(duì)齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個(gè)成員變量a，其自身對(duì)齊值為4，所以有效對(duì)齊值也為4，所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個(gè)連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0,且緊靠第一個(gè)變量。第三個(gè)變量c,自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個(gè)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(duì)齊值為其變量中最大對(duì)齊值(這里是b）所以就是4，所以結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)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(gè)字節(jié),sizeof(struct B)=12;其實(shí)如果就這一個(gè)就來(lái)說(shuō)它已將滿足字節(jié)對(duì)齊了,因?yàn)樗钠鹗嫉刂肥?span lang="EN-US">0,因此肯定是對(duì)齊的,之所以在后面補(bǔ)充2個(gè)字節(jié),是因?yàn)榫幾g器為了實(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)B的數(shù)組,那么第一個(gè)結(jié)構(gòu)起始地址是0沒(méi)有問(wèn)題,但是第二個(gè)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(gè)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(duì)齊了,因此我們要把結(jié)構(gòu)補(bǔ)充成有效對(duì)齊大小的整數(shù)倍.其實(shí)諸如:對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其自身對(duì)齊值為1，對(duì)于short型為2，對(duì)于int,float,double類(lèi)型，其自身對(duì)齊值為4，這些已有類(lèi)型的自身對(duì)齊值也是基于數(shù)組考慮的,只是因?yàn)檫@些類(lèi)型的長(zhǎng)度已知了,所以他們的自身對(duì)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(duì)齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
第一個(gè)變量b的自身對(duì)齊值為1，指定對(duì)齊值為2，所以，其有效對(duì)齊值為1，假設(shè)C從0x0000開(kāi)始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;第二個(gè)變量，自身對(duì)齊值為4，指定對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個(gè)連續(xù)字節(jié)中，符合0x0002%2=0。第三個(gè)變量c的自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)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(duì)齊值為4，所以C的有效對(duì)齊值為2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個(gè)字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.
四.如何修改編譯器的默認(rèn)對(duì)齊值?
1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項(xiàng)卡Category的Code Generation選項(xiàng)的Struct Member Alignment中修改，默認(rèn)是8字節(jié)。
2.在編碼時(shí)，可以這樣動(dòng)態(tài)修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.
五.針對(duì)字節(jié)對(duì)齊,我們?cè)诰幊讨腥绾慰紤]?
如果在編程的時(shí)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(gè)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(lèi)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(shí)間的效率,我們顯示的進(jìn)行填補(bǔ)空間進(jìn)行對(duì)齊,比如:有一種使用空間換時(shí)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(shí)間
int b;
}
reserved成員對(duì)我們的程序沒(méi)有什么意義,它只是起到填補(bǔ)空間以達(dá)到字節(jié)對(duì)齊的目的,當(dāng)然即使不加這個(gè)成員通常編譯器也會(huì)給我們自動(dòng)填補(bǔ)對(duì)齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.
六.字節(jié)對(duì)齊可能帶來(lái)的隱患:
代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換的時(shí)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(wèn)unsignedshort型變量，顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。
在x86上，類(lèi)似的操作只會(huì)影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個(gè)error,因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對(duì)齊.
七.如何查找與字節(jié)對(duì)齊方面的問(wèn)題:
如果出現(xiàn)對(duì)齊或者賦值問(wèn)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(duì)齊訪問(wèn)
3. 如果支持看設(shè)置了對(duì)齊與否,如果沒(méi)有則看訪問(wèn)時(shí)需要加某些特殊的修飾來(lái)標(biāo)志其特殊訪問(wèn)操作
舉例：
輸出：
8
12
8
7
修改代碼：
struct A {
// int a;
char b;
short c;
};
struct B {
char b;
// int a;
short c;
};
輸出：
4
4
輸出都是4，說(shuō)明之前的int影響對(duì)齊！
看圖就明白了