结构体和类的内存对齐原则-这一次弄清楚了对齐的本质规则

内存对齐计算可谓是笔试题的必考题，可是如何按照计算原则算出正确答案一开始也不是很容易的事，因此专门经过例子来复习下关于结构体内存对齐的计算问题。（编译环境为vs2015）

对齐原则：

原则1：数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，之后每一个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。

原则2：结构(或联合)的总体对齐规则：在数据成员完成各自对齐以后，结构(或联合)自己也要进行对齐，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。

原则3：结构体做为成员：若是一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。

默认对齐值：

Linux 默认#pragma pack(4)

window 默认#pragma pack(8)

注：能够经过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是指定的“对齐系数”。

例一：一字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(1)
struct AA {
    int a;   //长度4 > 1 按1对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
    short c; //长度2 > 1 按1对齐；偏移量为5；存放位置区间[5,6]
    char d;  //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为6；存放位置区间[7]
    //总体存放在[0~7]位置区间中，共八个字节。
};
#pragma pack()

第二步： 总体对齐

总体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1，因此不须要再进行总体对齐。总体大小就为8。

图示以下：

例二：二字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(2)
struct AA {
    int a;   //长度4 > 2 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
    short c; //长度2 = 2 按2对齐；偏移量要提高到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
    char d;  //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；共九个字节
};
#pragma pack()

第二步： 总体对齐

总体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2，将9提高到2的倍数，则为10.因此最终结果为10个字节。

图示以下：（X为补齐部分）

例三：四字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(4)
struct AA {
    int a;   //长度4 = 4 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
    short c; //长度2 < 4 按2对齐；偏移量要提高到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
    char d;  //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；总大小为9
};
#pragma pack()

第二步： 总体对齐

总体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4，将9提高到4的倍数，则为12.因此最终结果为12个字节。

图示以下：（X为补齐部分）

例三：八字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(8)
struct AA {
    int a;   //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
    short c; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量要提高到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
    char d;  //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]，总大小为9
};
#pragma pack()

第二步： 总体对齐

总体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将9提高到4的倍数，则为12.因此最终结果为12个字节。图示如上。

注：能够经过stddef.h库中的offsetof宏来查看对应结构体元素的偏移量。

例四：结构体中包含结构体的运算

总体计算过程以下

struct EE
{
    int a;      //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
    char b;     //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
    short c;    //长度2 < 8 按2对齐；偏移量由5提高到6；存放位置区间[6,7]
    //结构体内部最大元素为int,因为偏移量为8恰好是4的整数倍，因此从8开始存放接下来的struct FF
    struct FF
    {
        int a1;     //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
        char b1;    //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为12；存放位置区间[12]
        short c1;   //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为13,提高到2的倍数14；存放位置区间[14,15]
        char d1;    //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为16；存放位置区间[16]
    };
    //总体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由17补齐到4的整数倍20
    char d;         //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为21；存放位置区间[21]
    //总体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由21补齐到4的整数倍24
};

图示以下：

例五：再来一个嵌套结构体的计算

总体计算过程以下

struct B {
    char e[2];      //长度1 < 8 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,1]
    short h;        //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为2；存放位置区间[2,3]
    //结构体内部最大元素为double,偏移量为4，提高到8，因此从8开始存放接下来的struct A
    struct A {
        int a;      //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
        double b;   //长度8 = 8 按8对齐；偏移量为12，提高到16；存放位置区间16,23]
        float c;    //长度4 < 8,按4对齐；偏移量为24，存放位置区间[24,27]
    };
    //总体对齐系数 = min((max(int,double,float), 8) = 8，将内存大小由28补齐到8的整数倍32
};

图示以下：

小结：当#pragma pack的n值等于或超过全部数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

会了关于结构体内存大小的计算，但是为何系统要对于结构体数据进行内存对齐呢，很明显所占用的空间大小要更多。缘由可概括以下：

一、平台缘由(移植缘由)：不是全部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，不然抛出硬件异常。

二、性能缘由：数据结构(尤为是栈)应该尽量地在天然边界上对齐。缘由在于，为了访问未对齐的内存，处理器须要做两次内存访问；而对齐的内存访问仅须要一次访问。

更简单的说明下：如图

首先，cpu的访问粒度为4，也就是一次性能够读取内存中的四个字节内容；当咱们不采用内存对齐策略，若是须要访问A中的b元素，cpu须要先取出0~3四个字节的内容，发现没有读取完，还须要再次读取，一共须要进行两次访问内存的操做；而有了内存对齐，参考左图，可一次性取出4~7四个字节的元素也便是b，这样就只须要进行一次访问内存的操做。因此操做系统这样作的缘由也就是所谓的拿空间换时间，提升效率。

建议：虽然操做系统会浪费空间来完成内存对齐，可是咱们有了上面的知识能够经过按照数据类型来调整结构体内部的数据的前后顺序来尽可能减小内存的消耗；例如咱们将下面结构体A中的顺序调整为B，sizeof(A)的结果为12，而sizeof(B)的结果就是8：

struct A
{
    char a;
    int b;
    char c;
};

struct B
{
    char a;
    char c;
    int b;
};