一文读懂内存对齐的规则和作用

引入：两个相同变量，不同顺序的结构体占用的内存大小不一样

• 开发环境Windows10 64位 Visual Studio 2019
  

探究：

• 开发环境Windows10 64位 Visual Studio 2019

#include <iostream>
using namespace std;
struct st1
{
   char a ;
   int  b ;
   short c ;
};
 
struct st2
{
   short c ;
   char  a ;
   int  b ;
};
 
int main()
{
   cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl; //sizeof(st1) is 12
   cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl; //sizeof(st2) is 8
   return 0 ;
}

• 问题出来了，这两个一样的结构体，为什么sizeof的时候大小不一样呢？
  • 本文的主要目的就是解释明白这一问题。
• 内存对齐，正是因为内存对齐的影响，导致结果不同。
  • 对于大多数的程序员来说，内存对齐基本上是透明的，这是编译器该干的活，编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上，从而导致了相同的变量，不同声明顺序的结构体大小的不同。
  • 那么编译器为什么要进行内存对齐呢？程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后，结构体的空间反而增大了。
• 在解释内存对齐的作用前，先来看下内存对齐的规则：
  • 1、对于结构的各个成员，第一个成员位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) 的倍数。
  • 2、在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。
    • 每个特定平台的编译器都有一个默认的“对齐系数”，也可叫对齐模数，这个对齐系数，我们是可以通过代码来修改的：#pragma pack(n), 其中n就是对齐系数。#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。visual studio 2019默认8字节对齐
• 根据内存对齐规则分析结构体St1：
  • 1、St1 ：char占一个字节，起始偏移为0 ，int 占4个字节，min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) = 4（VC6默认8字节对齐），所以int按4字节对齐，起始偏移必须为4的倍数，所以起始偏移为4，在char后编译器会添加3个字节的额外字节，不存放任意数据。short占2个字节，按2字节对齐，起始偏移为8，正好是2的倍数，无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束，此时的内存状态为：
    • 第一步
    • occc|oooo|oo
    • 0123 4567 89 （地址）
    • (c表示额外添加的字节)
  • 2、共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行，st1结构中最大数据成员长度为int，占4字节，而默认的#pragma pack 指定的值为8，所以结果本身按照4字节对齐，结构总大小必须为4的倍数，需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为：
    • 第二步
    • occc|oooo|oocc
    • 0123 4567 89ab （地址）
  • 到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。
• St2 的对齐方法和st1相同：
  • oo|o|oooo
  • 0123 4567 （地址）
  • (c表示额外添加的字节)
  • oo|oc|oooo
  • 0123 4567 8 （地址）
  • (c表示额外添加的字节)
  • 对于St2第二步额外添加的字节的位置要保证每一块的大小是2的n次幂
• 内存对齐的主要作用是：
  • 1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
  • 2、性能原因：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。下文讲述具体原因：
• 内存对齐对性能提升的原因：
  • 图一：普通程序员心目中的内存印象，由一个个的字节组成。
    
    而CPU并不是这么看待的。
  • 图二：
    
    CPU把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2，4，8，16，甚至32字节大小，因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小称为memory access granularity（粒度） 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。
    假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况讨论：
    1、数据从0字节开始
    2、数据从1字节开始
    再次假设内存读取粒度为4。
  • 图三：
    
    当该数据是从0字节开始时，很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。
    当该数据是从1字节开始时，问题变的有些复杂，此时该int型数据不是位于内存读取边界上，这就是一类内存未对齐的数据。
  • 图四：
    
    此时CPU先访问一次内存，读取0—3字节的数据进寄存器，并再次读取4—5字节的数据进寄存器，接着把0字节和6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作，大大降低了CPU性能。
    这还属于乐观情况了，上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因，因为以上操作只有有部分CPU肯干，其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。
• 内存对齐也可以认为是空间换时间。