一。什么是字節(jié)對(duì)齊，為什么要對(duì)齊？

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對(duì)任何類(lèi)型的變量的訪問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，但實(shí)際情況是在訪問(wèn)特定類(lèi)型變量的時(shí)候經(jīng)常在特 定的內(nèi)存地址訪問(wèn)，這就需要各種類(lèi)型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。

對(duì)齊的作用和原因：各個(gè)硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同。一些平臺(tái)對(duì)某些特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開(kāi)始存取。比如有些架構(gòu)的CPU在訪問(wèn) 一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行對(duì)齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，那么在這種架構(gòu)下編程必須保證字節(jié)對(duì)齊。其他平臺(tái)可能沒(méi)有這種情況，但是最常見(jiàn)的是如果不按照適合其平臺(tái)要求對(duì) 數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對(duì)齊，會(huì)在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。比如有些平臺(tái)每次讀都是從偶地址開(kāi)始，如果一個(gè)int型（假設(shè)為32位系統(tǒng)）如果存放在偶地址開(kāi)始的地方，那 么一個(gè)讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開(kāi)始的地方，就需要2個(gè)讀周期，并對(duì)兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該32bit數(shù) 據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。

二。字節(jié)對(duì)齊對(duì)程序的影響：

先讓我們看幾個(gè)例子吧（32bit，x86環(huán)境，gCC編譯器）：

設(shè)結(jié)構(gòu)體如下定義：

struct A

{

int a;

char b;

short c;

};

struct B

{

char b;

int a;

short c;

};

現(xiàn)在已知32位機(jī)器上各種數(shù)據(jù)類(lèi)型的長(zhǎng)度如下：

char:1（有符號(hào)無(wú)符號(hào)同）

short:2（有符號(hào)無(wú)符號(hào)同）

int:4（有符號(hào)無(wú)符號(hào)同）

long:4（有符號(hào)無(wú)符號(hào)同）

float:4 double:8

那么上面兩個(gè)結(jié)構(gòu)大小如何呢？

結(jié)果是：

sizeof（strcut A）值為8

sizeof（struct B）的值卻是12

結(jié)構(gòu)體A中包含了4字節(jié)長(zhǎng)度的int一個(gè)，1字節(jié)長(zhǎng)度的char一個(gè)和2字節(jié)長(zhǎng)度的short型數(shù)據(jù)一個(gè)，B也一樣;按理說(shuō)A，B大小應(yīng)該都是7字節(jié)。

之所以出現(xiàn)上面的結(jié)果是因?yàn)榫幾g器要對(duì)數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對(duì)齊。上面是按照編譯器的默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行對(duì)齊的結(jié)果，那么我們是不是可以改變編譯器的這種默認(rèn)對(duì)齊設(shè)置呢，當(dāng)然可以。例如：

#pragmaPACk （2） /*指定按2字節(jié)對(duì)齊*/

struct C

{

char b;

int a;

short c;

};

#pragma pack （） /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/

sizeof（struct C）值是8。

修改對(duì)齊值為1：

#pragma pack （1） /*指定按1字節(jié)對(duì)齊*/

struct D

{

char b;

int a;

short c;

};

#pragma pack （） /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/

sizeof（struct D）值為7。

后面我們?cè)僦v解#pragma pack（）的作用。

三。編譯器是按照什么樣的原則進(jìn)行對(duì)齊的？

先讓我們看四個(gè)重要的基本概念：

1.數(shù)據(jù)類(lèi)型自身的對(duì)齊值：

對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其自身對(duì)齊值為1，對(duì)于short型為2，對(duì)于int，float，double類(lèi)型，其自身對(duì)齊值為4，單位字節(jié)。

2.結(jié)構(gòu)體或者類(lèi)的自身對(duì)齊值：其成員中自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值。

3.指定對(duì)齊值：#pragma pack （value）時(shí)的指定對(duì)齊值value。

4.數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類(lèi)的有效對(duì)齊值：自身對(duì)齊值和指定對(duì)齊值中小的那個(gè)值。

有 了這些值，我們就可以很方便的來(lái)討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對(duì)齊方式。有效對(duì)齊值N是最終用來(lái)決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值，最重要。有效對(duì)齊N，就是 表示“對(duì)齊在N上”，也就是說(shuō)該數(shù)據(jù)的“存放起始地址%N=0”。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來(lái)排放的。第一個(gè)數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對(duì)齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對(duì)齊值圓整（就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長(zhǎng)度需要是對(duì)結(jié)構(gòu)體有效對(duì)齊值的整數(shù) 倍，結(jié)合下面例子理解）。這樣就不能理解上面的幾個(gè)例子的值了。

例子分析：

分析例子B；

struct B

{

char b;

int a;

short c;

};

假 設(shè)B從地址空間0x0000開(kāi)始排放。該例子中沒(méi)有定義指定對(duì)齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認(rèn)為4。第一個(gè)成員變量b的自身對(duì)齊值是1，比指定或者默認(rèn)指定 對(duì)齊值4小，所以其有效對(duì)齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個(gè)成員變量a，其自身對(duì)齊值為4，所以有效對(duì)齊值也為4， 所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個(gè)連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0，且緊靠第一個(gè)變量。第三個(gè)變量c，自身對(duì)齊值為 2，所以有效對(duì)齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個(gè)字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的 都是B內(nèi)容。再看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對(duì)齊值為其變量中最大對(duì)齊值（這里是b）所以就是4，所以結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節(jié)，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個(gè)字節(jié)，sizeof（struct B）=12;其實(shí)如果就這一個(gè)就來(lái)說(shuō)它已將滿(mǎn)足字節(jié)對(duì)齊了， 因?yàn)樗钠鹗嫉刂肥?，因此肯定是對(duì)齊的，之所以在后面補(bǔ)充2個(gè)字節(jié)，是因?yàn)榫幾g器為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)組的存取效率，試想如果我們定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)B的數(shù)組，那 么第一個(gè)結(jié)構(gòu)起始地址是0沒(méi)有問(wèn)題，但是第二個(gè)結(jié)構(gòu)呢？按照數(shù)組的定義，數(shù)組中所有元素都是緊挨著的，如果我們不把結(jié)構(gòu)的大小補(bǔ)充為4的整數(shù)倍，那么下一 個(gè)結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A，這顯然不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的地址對(duì)齊了，因此我們要把結(jié)構(gòu)補(bǔ)充成有效對(duì)齊大小的整數(shù)倍。其實(shí)諸如：對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其 自身對(duì)齊值為1，對(duì)于short型為2，對(duì)于int，float，double類(lèi)型，其自身對(duì)齊值為4，這些已有類(lèi)型的自身對(duì)齊值也是基于數(shù)組考慮的，只 是因?yàn)檫@些類(lèi)型的長(zhǎng)度已知了，所以他們的自身對(duì)齊值也就已知了。

同理，分析上面例子C：

#pragma pack （2） /*指定按2字節(jié)對(duì)齊*/

struct C

{

char b;

int a;

short c;

};

#pragma pack （） /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/

第 一個(gè)變量b的自身對(duì)齊值為1，指定對(duì)齊值為2，所以，其有效對(duì)齊值為1，假設(shè)C從0x0000開(kāi)始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個(gè)變量，自身對(duì)齊值為4，指定對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個(gè)連續(xù) 字節(jié)中，符合0x0002%2=0。第三個(gè)變量c的自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值為2，順序存放

在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是C的變量。又C的自身對(duì)齊值為4，所以C的有效對(duì)齊值為2。又8%2=0，C 只占用0x0000到0x0007的八個(gè)字節(jié)。所以sizeof（struct C）=8.

四。如何修改編譯器的默認(rèn)對(duì)齊值？

1.在VC IDE中，可以這樣修改：［Project］|［Settings］，c/c++選項(xiàng)卡Category的Code Generation選項(xiàng)的Struct Member Alignment中修改，默認(rèn)是8字節(jié)。

2.在編碼時(shí)，可以這樣動(dòng)態(tài)修改：#pragma pack 。注意：是pragma而不是progma.

五。針對(duì)字節(jié)對(duì)齊，我們?cè)诰幊讨腥绾慰紤]？

如果在編程的時(shí)候要考慮節(jié)約空間的話(huà)，那么我們只需要假定結(jié)構(gòu)的首地址是0，然后各個(gè)變量按照上面的原則進(jìn)行排列即可，基本的原則就是把結(jié)構(gòu)中的變量按照 類(lèi)型大小從小到大聲明，盡量減少中間的填補(bǔ)空間。還有一種就是為了以空間換取時(shí)間的效率，我們顯示的進(jìn)行填補(bǔ)空間進(jìn)行對(duì)齊，比如：有一種使用空間換時(shí)間做 法是顯式的插入reserved成員：

struct A{

char a;

char reserved［3］;//使用空間換時(shí)間

int b;

}

reserved成員對(duì)我們的程序沒(méi)有什么意義，它只是起到填補(bǔ)空間以達(dá)到字節(jié)對(duì)齊的目的，當(dāng)然即使不加這個(gè)成員通常編譯器也會(huì)給我們自動(dòng)填補(bǔ)對(duì)齊，我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用。

六。字節(jié)對(duì)齊可能帶來(lái)的隱患：

代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換的時(shí)候。例如：

unsigned int i = 0x12345678;

unsigned char *p=NULL;

unsigned short *p1=NULL;

p=&i;

*p=0x00;

p1=（unsigned short *）（p+1）;

*p1=0x0000;

最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪問(wèn)unsignedshort型變量，顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。

在x86上，類(lèi)似的操作只會(huì)影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個(gè)error，因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對(duì)齊。

七。如何查找與字節(jié)對(duì)齊方面的問(wèn)題：

如果出現(xiàn)對(duì)齊或者賦值問(wèn)題首先查看

1. 編譯器的big little端設(shè)置

2. 看這種體系本身是否支持非對(duì)齊訪問(wèn)

3. 如果支持看設(shè)置了對(duì)齊與否，如果沒(méi)有則看訪問(wèn)時(shí)需要加某些特殊的修飾來(lái)標(biāo)志其特殊訪問(wèn)操作。