一.內存對齊的初步講解

內存對齊可以用一句話來概括：

“數據項只能存儲在地址是數據項大小的整數倍的內存位置上”

例如int類型占用4個字節，地址只能在0，4，8等位置上。

例1：

可以簡單的修改結構體的結構，來降低內存的使用，例如可以將結構體定義為：

二.操作系統的默認對齊系數

每 個操作系統都有自己的默認內存對齊系數，如果是新版本的操作系統，默認對齊系數一般都是8，因為操作系統定義的最大類型存儲單元就是8個字節，例如 long long（為什么一定要這樣，在第三節會講解），不存在超過8個字節的類型（例如int是4，char是1，long在32位編譯時是4，64位編譯時是 8）。當操作系統的默認對齊系數與第一節所講的內存對齊的理論產生沖突時，以操作系統的對齊系數為基準。

例如：

假設操作系統的默認對齊系數是4，那么對與long long這個類型的變量就不滿足第一節所說的，也就是說long long這種結構，可以存儲在被4整除的位置上，也可以存儲在被8整除的位置上。

可以通過#pragma pack()語句修改操作系統的默認對齊系數，編寫程序的時候不建議修改默認對齊系數，在第三節會講解原因

例2：

三.內存對齊產生的原因

內存對齊是操作系統為了快速訪問內存而采取的一種策略，簡單來說，就是為了放置變量的二次訪問。操作系統在訪問內存 時，每次讀取一定的長度（這個長度就是操作系統的默認對齊系數，或者是默認對齊系數的整數倍）。如果沒有內存對齊時，為了讀取一個變量是，會產生總線的二 次訪問。

例如假設沒有內存對齊，結構體xx的變量位置會出現如下情況：

這樣大家就能理解為什么結構體的第一個變量，不管類型如何，都是能被8整除的吧（因為訪問內存是從8的整數倍開始的，為了增加讀取的效率）！

內存對齊的問題主要存在于理解struct等復合結構在內存中的分布。

首先要明白內存對齊的概念。
許多實際的計算機系統對基本類型數據在內存中存放的位置有限制，它們會要求這些數據的首地址的值是某個數k(通常它為4或8)的倍數，這就是所謂的內存對齊。

這個k在不同的cpu平臺下，不同的編譯器下表現也有所不同。比如32位字長的計算機與16位字長的計算機。這個離我們有些遠了。我們的開發主要涉及兩大平臺，windows和linux（unix），涉及的編譯器也主要是microsoft編譯器(如cl),和gcc。

內存對齊的目的是使各個基本數據類型的首地址為對應k的倍數，這是理解內存對齊方式的終極法寶。另外還要區分編譯器的分別。明白了這兩點基本上就能搞定所有內存對齊方面的問題。

不同編譯器中的k：
1、對于microsoft的編譯器，每種基本類型的大小即為這個k。大體上char類型為8，int為32，long為32，double為64。
2、對于linux下的gcc編譯器，規定大小小于等于2的，k值為其大小，大于等于4的為4。

明白了以上的說明對struct等復合結構的內存分布就應該很清楚了。

下面看一下最簡單的一個類型：struct中成員都為基本數據類型，例如：

假設從0地址開始，首先a的k值為1，它的首地址可以使任意位置，所以a占用第一個字節，即地址0；然后b的k值為2，他的首地址必須是2的倍數，不能是1，所以地址1那個字節被填充，b首地址為地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值為4，他的首地址為4的倍數，所以首地址為4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也為4，所以他的首地址為8，占用地址8，9，10，11。最后到e，他的k值為8，首地址為8的倍數，所以地址12，13，14，15被填充，他的首地址應為16，占用地址16-23。顯然其大小為24。

這就是 test1在內存中的分布情況。我們建立一個test1類型的變量，a、b、c、d、e分別賦值2、4、8、16、32。然后從低地址依次打印出內存中每個字節對應的16進制數為：
2 0 4 0 8 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40

驗證：
顯然推斷是正確的。

在linux平臺，gcc編譯器下：
假設從0地址開始，首先a的k值為1，它的首地址可以使任意位置，所以a占用第一個字節，即地址0；然后b的k值為2，他的首地址必須是2的倍數，不能是1，所以地址1那個字節被填充，b首地址為地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值為4，他的首地址為4的倍數，所以首地址為4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也為4，所以他的首地址為8，占用地址8，9，10，11。最后到e，從這里開始與microsoft的編譯器開始有所差異，他的k值為不是8，仍然是4，所以其首地址是12，占用地址12-19。顯然其大小為20。

驗證：
我們建立一個test1類型的變量，a、b、c、d、e分別賦值2、4、8、16、32。然后從低地址依次打印出內存中每個字節對應的16進制數為：
2 0 4 0 8 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40

顯然推斷也是正確的。

接下來，看一看幾類特殊的情況，為了避免麻煩，不再描述內存分布，只計算結構大小。

第一種：嵌套的結構

這種情況下如果把test2的第二個成員拆開來，研究內存分布，那么可以知道，test2的成員f占用地址0，g.a占用地址1，以后的內存分布不變，仍然滿足所有基本數據成員的首地址都為其對應k的倍數這一原則，那么test2的大小就還是24了。但是實際上test2的大小為32，這是因為：不能因為test2的結構而改變test1的內存分布情況，所以為了使test1種各個成員仍然滿足對齊的要求，f成員后面需要填充一定數量的字節，不難發現，這個數量應為7個，才能保證test1的對齊。所以test2相對于test1來說增加了8個字節，所以test2的大小為32。

在linux平臺，gcc編譯器下：

同樣，這種情況下如果把test2的第二個成員拆開來，研究內存分布，那么可以知道，test2的成員f占用地址0，g.a占用地址1，以后的內存分布不變，仍然滿足所有基本數據成員的首地址都為其對應k的倍數這一原則，那么test2的大小就還是20了。但是實際上test2的大小為24，同樣這是因為：不能因為test2的結構而改變test1的內存分布情況，所以為了使test1種各個成員仍然滿足對齊的要求，f成員后面需要填充一定數量的字節，不難發現，這個數量應為3個，才能保證test1的對齊。所以test2相對于test1來說增加了4個字節，所以test2的大小為24。

第二種：位段對齊

相鄰的多個同類型的數(帶符號的與不帶符號的，只要基本類型相同，也為相同的數),如果他們占用的位數不超過基本類型的大小，那么他們可作為一個整體來看待。不同類型的數要遵循各自的對齊方式。
如：test3中，a、b可作為一個整體，他們作為一個int型數據來看待，所以test3的大小為8字節。并且a與b的值在內存中從低位開始依次排列，位于4字節區域中的前0-3位和4-7位

如果test4位以下格式

如過test5是以下形式

在linux平臺，gcc編譯器下：

如果test4位以下格式

關于位段結構的部分是比較復雜的。暫時我就知道這么多。