C++ 字节对齐 | 易学教程

1. 缘起

来自BBS上的面试题目，struct{int a; char b;}的大小是多少？答案是8。上网看了下，是字节对齐。

2. 字节对齐的基本规则

    首先，每种类型的变量的默认对齐长度都是自己的变量长度，比如：char占一个字节，那么对齐长度就是一个字节，int占四个字节，对齐长度就是四个字节，double占八个字节，对齐长度就是8。int的对齐长度为4的实际意义是，int变量必须存储在四的倍数的地址上。
    那么对于struct{char b; int a}，其长度是8，因为b虽然只占用1个字节，但是a必须从4的倍数开始存储，因此b后面的3个字节都废掉了。因此一共需要8个字节才能把b和a存下来。
    那么对于struct{int a; char b}，其长度还是8！晕菜了！原因如下：
    字节对齐的细节和编译器实现相关，但一般而言，满足三个准则：
   1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除。
   2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
   3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。
   规则1是控制结构体变量的首地址的，与结构体变量的长度没关系。
   规则2是控制结构体内每个变量的相对地址的，与结构体变量的长度有关系。
   规则3是控制结构体总体长度的，与结构体变量的长度有关系。
   正是由于第三条规则，结构体的长度必须是其最长的变量长度的整数倍，因此在上面的例子中，必须是4的整数倍，因此，是8。
   如果结构体里面嵌套结构体就要注意了，结构体变量的起始地址只是其内部最宽的基本类型的整数倍，而非结构体自身的整数倍，外面结构体的长度，也仅仅是里面最宽的基本类型的长度倍数。
   比如：

struct S1 {
  char c;  // 1个字节
  int i;   // 前面空3个字节，占用4个字节
}; // 刚好8个字节，是4的倍数
struct S2 {
  char c1; // 1个字节
  S1 s;  // 前面空3个字节，而不是空7个字节，占用8个字节
  char c2; // 占用1个字节
}; // 一共13个字节，要成为4的倍数，后面增加3个字节，成为16个字节

3. 字节对齐的原因

·效率原因，某些平台每次都是从偶地址读数据，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

4. 字节对齐的隐患

·不合理设置变量定义的顺序，可能浪费内存