内存对齐

在C语言柔性数组一文中，提到了内存对齐，于是想写篇文章总结总结内存对齐。

内存对齐

#include<stdio.h>

typedef struct line {
    int len;
    char *contents;
} line;

int main(int argc, char **argv)
{
    printf("%d\n", sizeof(line));
}
/* 输出: 16
 * 平台: Linux x64;
 */

为什么需要内存对齐

计算机系统对基本数据类型的合法地址做出了一些限制，要求某种类型对象的地址必须是某个值K(通常是2, 4或8)的倍数，这种对齐限制简化了处理器和存储器系统之间接口的硬件设计。
假设一个CPU总是从存储器中一次读出8个字节的块(块大小一般称之为为memory access granularity(粒度))，则地址必须为8的倍数，如果我们能保证多有的double类型地址对齐为8的倍数，那么我们只需要访问一次存储器就能取得我们想要的数据，否则，我们可能需要访问存储器2次，因为对象可能放在了2个8字节的存储器块中。

内存对齐规则

Linux 沿用的对齐策略是，2字节数据类型(short)的地址必须是2的倍数，而较大的数据类型（例如int，int*，float，double）的地址必须是4的倍数。而Windows对齐要求更严格，它要求double，long long类型数据应该是8的倍数。

struct s1 {
    int i;
    char c;
    int j;
};

假设编译器最小9字节分配如图:

1.png

它不可能满足i和j(偏移为5)的4字节对齐要求。所以编译器要在c和j之间插入一个3字节的间隙，如图所示:

2.png

另外编译器结构的末尾也可能需要填充:

struct s2 {
    int i;
    int j;
    char c;
};

如果我们将这个结构分配为9字节，只要保证结构体的起始地址满足4字节对齐要求，我们仍然可以满足字段i和j的对齐要求。但考虑如下:

struct s2 arr[4];

如果每个结构体分配9字节，不可能满足arr的每个元素的对齐要求。例如i，则地址分别为arr，arr+9，arr+18，arr+27。所以编译器会为结构体s2分配12个字节。如图:

3.png

练习

struct p1 { int i;  char c;  int j;  char d;  };
struct p2 {  };
struct p3 {  };
struct p4 {  };
struct p5 {  };