内存对齐的影响因素有哪些？

一 ) 为什么要有内存对齐

以下内容节选自《 Intel Architecture 32 Manual 》。

字，双字，和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。（对字，双字，和四字来说，自然边界分别是偶数地址，可以被 4 整除的地址，和可以被 8 整除的地址。）

无论如何，为了提高程序的性能，数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。

一个字或双字操作数跨越了 4 字节边界，或者一个四字操作数跨越了 8 字节边界，被认为是未对齐的，从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的，能够在一个总线周期中被访问。

某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐，这些指令将会产生一个通用保护异常（ #GP ）。双四字的自然边界是能够被 16 整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问（不会产生通用保护异常），然而，需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。

二 ) 常见数据类型的内存对齐

为了能使 CPU 对变量进行高效快速的访问，变量的起始地址应该具有某些特性，
即所谓的 “ 对齐 ” 。例如对于 4 字节的 int 类型变量，其起始地址应位于 4 字节边界上，
即起始地址能够被 4 整除。变量的对齐规则如下（ 32 位系统）：

structures

对于结构体 S1 的每个简单成员如果其对齐边界是 x1, 而它又含有结构体 S2, 而 S2 内部的对齐边界是 x2, 则结构体 S1 的对齐边界取 X=max(x1, x2);

对于结构体 S2 中的某一成员 item ，它的对齐边界取 : X=max(sizeof(item)

范例：
struct s1{
short a;
long b;
};
struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};

问
1.sizeof(s2) = ?
2.s2 的内存布局是怎么样的 ?

答：

//modify 2007.3.10

s1, 成员 a 是 short, 按 2byte 自然对齐 ; 成员 b 是 int, 按 4byte 自然对齐，取最大成员的 size(int), 因此这个结构体的对齐边界就是 4bytes. 所以 sizeof(s1)=8;

s2, 成员 c 是 char, 按 1byte 自然对齐。但成员 d 则又是个结构体， sizeof(d) 是 8byte, 结构体 d 内成员的最大是 int, 它的内部对齐由 s1 可知，是按 4byte 对齐。那么这边又按什么对齐呢？下面成员 e 是 long long, 默认按 8byte 对齐。因此 S1 中的成员是按 8BYTE 对齐 , 但 S2 中仍然按照 4BYTE 对齐 .

a b
S1 的内存布局： 11**,1111, //4byte 对齐, sizeof(s1)=2+[2]+4 = 8

S2 的内存布局： 1***,****,11**,1111,11111111 //8byte 对齐, sizeof(s2)=1+[7]+8+8 = 24byte.

实际gcc下检测得到的是20byte=1+[3]+8+8, 估计是按4byte缺省对齐的。

说明：[ ]表示需要补位的值。Modify on Mar,5,2010.

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注意：
1 ） 对于空结构体， sizeof ＝＝ 1 ；因为必须保证结构体的每一个实例在内存中都
有独一无二的地址。
2 ） 结构体的静态成员不对结构体的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与
结构体的实例地址无关。

例如：
struct {static int I;} T; struct {char a; static int I;} T1;
sizeof(T) == 1; sizeof(T1) == 1;

三 ) 各编译器下内存对齐的影响

上面那种是系统默认的对齐，也就是自然对齐。

现实中，编译器也能按指定的字节进行对齐，这称为指定对齐。如 VC ， gcc

--------------------------------MSDN VC----------------------------------------------------

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。

#pragma pack(n)

When you use #pragma pack(n), where n is 1, 2, 4, 8, or 16, each structure member after the first is stored on the smaller member type or n-byte boundaries. If you use #pragma pack without an argument, structure members are packed to the value specified by /Zp. The default /Zp packing size is /Zp8.

----------------------------------GCC-----------------------------------------------

__attribute__ ((packed));