C/C++里地址对齐理解

本文主要讲述一下C/C++里变量地址的对齐，不仅仅是C/C++，其它语言也是一样。这个是计算机系统要求的。

一 为什么要对齐

在硬件设计上，为了提高效率，CPU从RAM里拿数据不是一个字节一个字节去读的，而是一次读取多个字节，例如如8个。如果代码里的变量地址不对齐（不是8的倍数），那么就会降低CPU的效率。

例如一个长整型是8个字节，如果其起始地址不是8的倍数，如下图这样，绿色是长整型数据在ram里的排布，

那么CPU就需要取2次才能拿到这个长整型数据的完整值，第一次从位置0取8个字节，第二次从位置8取8个字节；如果其地址是8的倍数，那么就只需要取一次了。

我们在编写程序时，可能会有大量的变量，如果不对齐，叠加起来就会大幅降低CPU的效率。

二 如何保证对齐

编译器在把源码变成汇编代码时，会在代码中放入命令来指示需要的对齐字节数，如下这种，

.align 4

这是一个对齐伪指令，表示要求4字节对齐，也可以改成2，8，16等。这条指令后面的内存变量必须从下一个能被4整除的地址开始分配。如果下一个地址不能被4整除，汇编程序将空出若干个字节，直到下一个地址能被4整除为止。

只要第一个变量的起始地址对齐，那么后续的其它变量只要保证自身所占内存空间是4的倍数，那么它们的起始地址就都会自动对齐。

三 结构体对齐

这里讲一下结构体是如何对齐的，

struct A
{
    int d1;
    char d2;
    int d3;
};

为了保证结构体内每个元素的起始地址都是4字节对齐的，那么就会按照如下方式排布，

这样这个结构体的实际长度是12个字节，d2后面会补充3个padding字节，这是通过牺牲一定的空间来实现对齐，提高效率。

如果结构体的定义如下，

struct A
{
    int d1;
    int d2;
    char d3;
};

那么d3后面还需要补充3个padding字节吗？因为d3的起始地址已经是4字节对齐的。答案是需要，因为有可能定义struct A的数组，

struct A a[10];

数组的空间是连续的，如果d3后面不补充3个padding字节，那么后面元素的起始地址就不是4字节对齐了。

所以这个结构体内存分布如下，仍然占12个字节。