C语言的内存对齐

从一个例子开始

象下面这样定义的结构体占几个字节？

typedef struct{
    char a;
    int i;
} Sample;

char占1个字节，int占4个字节，答案是5个字节？ 错了。如果用 gcc 编译，sizeof(Sample) 的结果是8个字节。

这是怎么回事？进一步观察，Sample第0个字节是a， 而Sample的成员int i从第4个字节开始。 这是编译器为了内存对齐所做的优化。

什么是内存对齐

比如数据总线有32位，它访存只能4个字节4个字节地进行。 0-3，4-7，8-11，12-15，…… 即使我们需要的数据只占一个字节，也是一次读取4个字节。 一个字节的数据不管地址是什么，都能通过一次访存读取出来。 而如果要读取的数据是一个字节以上，比如两个字节， 如果该数据的内存地址是0x03，则需要两次才能读取该数据， 第一次读0x00-0x03，第二次读0x04-0x07。 这个数据就跨越了访存边界。

而相对CPU的运算来说，访存是非常慢的，所以要尽量减少访存次数。 为了减少跨越访存边界的数据引起的访存开销， 所以编译器会进行内存对齐，即把变量的地址做一些偏移， 目的是一次访存就读出数据，不然的话也要以尽可能少地访存次数读出数据。

如上一个例子中那样，整型成员i的地址做4个字节的偏移， 而Sample对象的地址也会做4字节边界的对齐， 这样i的地址始终是4的倍数，从而使得i不跨越访存边界， 能一次读出它的值。

尽可能少的内存占用

typedef struct{
    char a;
    char b;
    int i;
} Sample1;

Sample1占多少空间呢？仍然是8个字节。 a在第0个字节，b在第1个字节，i占4-7字节。 这是内存对齐的原则，占用尽量少的内存。 如果在b之后，还有char类型的成员c和d，同样是占8个字节。 a,b,c,d在0-3字节。

数据成员顺序影响内存的占用

typedef struct{
    char a;
    int i;
    char b;
} Sample2;

Sample2的数据成员和Sample1的数据成员相同，只是顺序不一样， 是否占用一样多的内存呢？答案是不一样。 Sample1占用8字节，而Sample2占用12个字节！

这是为什么呢？32位机器上，访存单元是4字节。 对于多于4字节的数据，以4字节为单位做内存对齐的。 所以对于上述的结构体数据的地址分配，都是4的倍数。 对于结构体内部，以数据成员的最大长度为对齐单位。 如果数据成员的长度超过4字节，仍然以4字节为对齐单位，这是因为访存单元就是4字节。 在Sample2的定义中，因为int是4字节，所以以4字节为内存对齐的单位。

在Sample2中，对于a来说，只占一个字节，无所谓对不对齐，它在0字节。 i是int类型，要对齐，在4-7字节。 b在8字节，虽然它只占一个字节，但因为结构体内是以4字节为单位对齐的， 所以编译器一下多分配出4个字节，所以共占了12个字节。

以上的Sample1和Sample2的例子说明，即使是同样的结构体，如果数据成员的顺序不同，所占的内存空间可能是不同的。

总结

• 如果我们对内存对齐有概念，在定义结构体的时候就会留心数据成员的顺序，从而能 减少程序的内存占用。

• 以前我使用变量存放较小的整数时，为了减小内存占用，往往把变量定义成char型， 但现在明白了，因为编译器的内存对齐，节省内存的效果并没有那么理想。

• 如果内存真的很受限，可以用 #pragma pack(1) 告诉编译器关闭内存对齐。