說(shuō)到內(nèi)存對(duì)齊，很多人都知道是怎么回事。但是內(nèi)存對(duì)齊該娘不是本文的重點(diǎn)，本文的重點(diǎn)是內(nèi)存對(duì)齊有什么好處。
CPU訪問(wèn)某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，要求其存儲(chǔ)地址必須是相應(yīng)數(shù)據(jù)類型的自然邊界。對(duì)于存儲(chǔ)地址不在其相應(yīng)類型自然邊界的數(shù)據(jù)，不支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問(wèn)的CPU，會(huì)導(dǎo)致CPU異常；即使是支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問(wèn)的CPU，也會(huì)嚴(yán)重影響程序效率。
 假設(shè)非對(duì)齊訪問(wèn)出現(xiàn)在位于操作系統(tǒng)之上的進(jìn)程，且CPU不支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問(wèn)，那么對(duì)于出現(xiàn)CPU異常的情況，可能操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理，(1)將所需要的數(shù)據(jù)裝載，并返回，或者說(shuō)(2)直接讓進(jìn)程死掉。情形(2)不需要多做解釋；對(duì)情況(1)來(lái)說(shuō)，非對(duì)齊訪問(wèn)每次都要進(jìn)入異常處理程序，相比于一條指令直接拿到數(shù)據(jù)，效率極其低下。
假設(shè)非對(duì)齊訪問(wèn)出現(xiàn)在直接位于硬件之上的進(jìn)程，且CPU不支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問(wèn)，那么對(duì)于出現(xiàn)CPU異常的情況來(lái)說(shuō)，基本上的直觀反應(yīng)是進(jìn)程退出并出現(xiàn)堆棧信息。

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 現(xiàn)在假設(shè)有一個(gè)8字節(jié)數(shù)據(jù)如下，|表示數(shù)據(jù)開(kāi)始位置，|-|表示自然邊界

|-|BBBBB|BBB|-|BBBBB|BBB

  其前三字節(jié)為前一個(gè)對(duì)齊的八字節(jié)數(shù)據(jù)的后三字節(jié)，其后五字節(jié)為后一個(gè)對(duì)齊的八字節(jié)數(shù)據(jù)的前五字

對(duì)于不支持非對(duì)齊裝載指令的CPU來(lái)說(shuō)，要裝載這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)，需要先裝載前一個(gè)八字節(jié)數(shù)據(jù)，再裝載后一個(gè)八字節(jié)數(shù)據(jù)，然后將前一個(gè)八字節(jié)數(shù)據(jù)的后三字節(jié)與后一個(gè)八字節(jié)數(shù)據(jù)的前五字節(jié)數(shù)據(jù)合并才能得到結(jié)果，與對(duì)齊數(shù)據(jù)的訪問(wèn)相比，多了一個(gè)裝載指令以及相關(guān)合并指令的開(kāi)銷，一般來(lái)說(shuō)，在忽視緩存未命中的情況下，裝載指令的執(zhí)行與得到結(jié)果之間是存在額外開(kāi)銷的，因此這個(gè)差別是很大的，何況上邊說(shuō)的，假設(shè)是在操作系統(tǒng)對(duì)CPU異常進(jìn)行處理時(shí)為其加載數(shù)據(jù)，那么異常處理程序的開(kāi)銷可能更大；對(duì)非對(duì)齊數(shù)據(jù)的寫(xiě)入時(shí)也需要額外的加載，合并操作。

即使對(duì)于支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)加載的CPU，依然會(huì)極大的影響效率，差別只是它省略掉了CPU異常處理過(guò)程。

再進(jìn)一層，假設(shè)之前描述的非對(duì)齊數(shù)據(jù)剛好橫跨兩個(gè)cache line，而且這兩個(gè)cache line至少有一個(gè)不在cache中(雖然對(duì)齊數(shù)據(jù)也會(huì)存在未命中，但是與非對(duì)齊相比，它不會(huì)橫跨兩個(gè)cache line)，那么這個(gè)訪問(wèn)效率絕對(duì)不是多幾十條指令的問(wèn)題了。

因此，內(nèi)存不對(duì)齊的壞處不是浪費(fèi)內(nèi)存，因?yàn)榧词刮覍?xiě)一個(gè)隨便在不同位置放置不同大小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，只要告訴編譯器說(shuō)必須按照一字節(jié)對(duì)齊，編譯器編譯時(shí)肯定按照我的意愿不浪費(fèi)一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存。編譯器默認(rèn)按照自然邊界對(duì)齊，是因?yàn)樗笮?，保證程序的正常運(yùn)行(因?yàn)榉菍?duì)齊訪問(wèn)可能導(dǎo)致進(jìn)程退出)。我們對(duì)結(jié)構(gòu)體的組織的調(diào)整是為了節(jié)約內(nèi)存，而調(diào)整的規(guī)則就是按照內(nèi)存對(duì)齊來(lái)安插數(shù)據(jù)。

每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)齊模數(shù))。程序員可以通過(guò)預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來(lái)改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對(duì)齊系數(shù)”。

規(guī)則：

1、數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對(duì)齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。

2、結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對(duì)齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。

3、結(jié)合1、2可推斷：當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過(guò)所有數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度的時(shí)候，這個(gè)n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。

Win32平臺(tái)下的微軟C編譯器的對(duì)齊策略：

1)結(jié)構(gòu)體變量的首地址是其最長(zhǎng)基本類型成員的整數(shù)倍；

備注：編譯器在給結(jié)構(gòu)體開(kāi)辟空間時(shí)，首先找到結(jié)構(gòu)體中最寬的基本數(shù)據(jù)類型，然后尋找內(nèi)存地址能是該基本數(shù)據(jù)類型的整倍的位置，作為結(jié)構(gòu)體的首地址。將這個(gè)最寬的基本數(shù)據(jù)類型的大小作為上面介紹的對(duì)齊模數(shù)。

2)結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在成員之間加上填充字節(jié)（internal adding）；

備注:為結(jié)構(gòu)體的一個(gè)成員開(kāi)辟空間之前，編譯器首先檢查預(yù)開(kāi)辟空間的首地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移是否是本成員的整數(shù)倍，若是，則存放本成員，反之，則在本成員和上一個(gè)成員之間填充一定的字節(jié)，以達(dá)到整數(shù)倍的要求，也就是將預(yù)開(kāi)辟空間的首地址后移幾個(gè)字節(jié)。

3)結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍，如有需要，編譯器會(huì)在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié)。

備注：

a、結(jié)構(gòu)體總大小是包括填充字節(jié)，最后一個(gè)成員滿足上面兩條以外，還必須滿足第三條，否則就必須在最后填充幾個(gè)字節(jié)以達(dá)到本條要求。

b、如果結(jié)構(gòu)體內(nèi)存在長(zhǎng)度大于處理器位數(shù)的元素，那么就以處理器的倍數(shù)為對(duì)齊單位；否則，如果結(jié)構(gòu)體內(nèi)的元素的長(zhǎng)度都小于處理器的倍數(shù)的時(shí)候，便以結(jié)構(gòu)體里面最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)元素為對(duì)齊單位。

4) 結(jié)構(gòu)體內(nèi)類型相同的連續(xù)元素將在連續(xù)的空間內(nèi)，和數(shù)組一樣。

總結(jié)：

1、平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問(wèn)任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

2、性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問(wèn)未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問(wèn)；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問(wèn)僅需要一次訪問(wèn)。

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新聞名稱：為什么存在內(nèi)存對(duì)齊-創(chuàng)新互聯(lián)
文章URL：http://jinyejixie.com/article34/decope.html

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