C++中的字节对齐

(字节对齐的实现细节和编译器有关)

1. 基本概念

字节对齐：计算机存储系统中以Byte为单位存储数据，不同数据类型所占的空间不同，如：整型（int）数据占4个字节，字符型（char）数据占一个字节，短整型（short）数据占两个字节，等等。计算机为了快速的读写数据，默认情况下将数据存放在某个地址的起始位置，如：整型数据（int）默认存储在地址能被4整除的起始位置，字符型数据（char）可以存放在任何地址位置（被1整除），短整型（short）数据存储在地址能被2整除的起始位置。这就是默认字节对齐方式。

基本满足以下3个原则：

• 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
• 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal padding）；
• 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。

2. 举例说明

很显然默认对齐方式会浪费很多空间，例如如下结构：

struct student
{
    char name[5];
    int num;
    short score;
}

本来只用了11bytes（5+4+2）的空间，但是由于int型默认4字节对齐，存放在地址能被4整除的起始位置，即：如果name[5]从0开始存放，它占5bytes，而num则从第8（偏移量）个字节开始存放。所以sizeof(student)=16。于是中间空出几个字节闲置着。但这样便于计算机快速读写数据，是一种以空间换取时间的方式。其数据对齐如下图：
|char|char|char|char|
|char|----|----|----|
|--------int--------|
|--short--|----|----|

如果我们将结构体中变量的顺序改变为：

struct student
{
    int num;
    char name[5];
    short score;
}

则，num从0开始存放，而name从第4（偏移量）个字节开始存放，连续5个字节，score从第10（偏移量）开始存放，故sizeof(student)=12。其数据对齐如下图：
|--------int--------|
|char|char|char|char|
|char|----|--short--|

如果我们将结构体中变量的顺序再次改为为：

struct student
{
    int num;
    short score;
    char name[5];
}

则，sizeof(student)=12。其数据对齐如下图：
|--------int--------|
|--short--|char|char|
|char|char|char|----|

3.#pragma pack()命令

为了节省空间，我们可以在编码时通过#pragma pack()命令指定程序的对齐方式，括号中是对齐的字节数，若该命令括号中的内容为空，则为默认对齐方式。例如，对于上面第一个结构体，如果通过该命令手动设置对齐字节数如下：

#pragma pack(2) //设置2字节对齐
struct strdent
{
   char name[5]; //本身1字节对齐，比2字节对齐小，按1字节对齐
   int num;          //本身4字节对齐，比2字节对齐大，按2字节对齐
   short score;    //本身也2字节对齐，仍然按2字节对齐
}
#pragma pack() //取消设置的字节对齐方式

则，num从第6（偏移量）个字节开始存放，score从第10（偏移量）个字节开始存放，故sizeof(student)=12，其数据对齐如下图：
|char|char|
|char|char|
|char|-----|
|----int----|
|----int----|
|--short---|

这样改变默认的字节对齐方式可以更充分地利用存储空间，但是这会降低计算机读写数据的速度，是一种以时间换取空间的方式。