结构体内存边界对齐问题

结构体成员在内存中并不是紧凑排列的，这就是所谓的结构体内存边界对齐问题，默认情况下会按照其自然边界对齐，本文将具体研究下这一问题。

先来看一个简单的小程序：

#include <stdio.h>

struct TestStruct
{
  char  a;
  int   b;
  short c;
};

int main()
{
  struct TestStruct MyStruct;

  printf("Struct size is : %d\n", sizeof(MyStruct));
  printf("Offset of a is: %p\n", (char *)&MyStruct.a - (char *)&MyStruct);
  printf("Offset of b is: %p\n", (char *)&MyStruct.b - (char *)&MyStruct);
  printf("Offset of c is: %p\n\n", (char *)&MyStruct.c - (char *)&MyStruct);

  return 0;
}

使用GCC编译运行，输出结果为：

Struct size is : 12
Offset of a is: 00000000
Offset of b is: 00000004
Offset of c is: 00000008

从结果中可以很明显的看到，结构体成员在内存中并不是紧凑排列的，这就是所谓的内存边界对齐问题。进行结构体内存边界对齐是为了让CPU读取数据时效率达到最大化，关于这个问题此处不深入研究，仅引用一个网上的解释：

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。

下面主要分析一下编译器是如何处理结构体内存边界对齐问题的。

自然边界对齐

如果不手动指定对齐方式，就按照自然边界对齐原则进行对齐。
所谓自然边界，对于8bit数据来说，任何地址都是其自然边界；对于16bit数据来说，偶数地址是其自然边界（即最低位地址为0）;对于32bit数据来说，能被4整除的地址是其自然边界（即最低两位地址为0）；对于64bit数据来说，能被8整除的地址是其自然边界（即最低3位地址为0）。

结构体按照自然边界对齐原则进行对齐即是指：

• 结构体中的每个成员都存放在其自然边界上;
• 各个成员严格按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构体的地址相同；
• 结构体整体的对齐方式与其成员中长度最长那个元素相同；
• 为满足以上要求，在成员间和结构体最后可使用空字节进行填充。

根据以上原则就很好理解默认对齐方式了，下面给出几种结构体声明方式及其对应的内存分配情况图。图中每一个单元格代表一字节数据，灰色部分代表不属于此结构体的部分。

Case 1

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

Case 2

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

Case 3

struct
{
  short a;
  char  b;
  short c;
};

Case 4

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

指定边界对齐

可使用一些编译器预处理指令来手动指定对齐方式，不同的编译器有不同的预处理指令，此处仅简要总结下GCC中的预处理指令。

#pragma pack(n)

其中n必须为2的若干次幂，如1，2，4，8，16等；若不指定n，相当于恢复默认的自然边界对齐方式。这个指令的效果是：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值来对齐。也就是说，当#pragma pack的值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个值的大小将不产生任何效果，也就是说，这条指令仅可用于减小间隙。

用自然边界对齐中的Case 1为例，使用#pragma pack(1)强制对齐至1字节地址处：

#pragma pack(1)
struct
{
  char  a;
  int   b;
  short c;
};

程序输入为：

Struct size is : 7
Offset of a is: 00000000
Offset of b is: 00000001
Offset of c is: 00000005

内存分配情况如下所示：

__attribute((aligned(n)))

同样，n需要为2的若干次幂，这条指令仅可以用于增加间隙。

用自然边界对齐中的Case 2为例，使用__attribute((aligned(4)))将每个成员都强制对齐至4字节地址处：

struct
{
  int   a __attribute((aligned(4)));
  char  b __attribute((aligned(4)));
  short c __attribute((aligned(4)));
};

程序输出为：

Struct size is : 12
Offset of a is: 00000000
Offset of b is: 00000004
Offset of c is: 00000008

内存分配情况如下图：