C语言:数据对齐

struct {

 char a;

 int b;

 short c;

 }test;

       按照正常的情况：sizeof(struct(test))的结果为8，而我们可以从里面分析，sizeof(char)=1,sizeof(int)=4,sizeof(short)=2;所以结果应该为7才对，在大学里的大部分书本中都写到，结构体占空间的大即为该结构体中各项所占空间之和，而这与在实际应用中的结果很显然是不一致的，那是什么原因产生这个差异呢？

       这里介入一个数据对齐的概念，什么是对齐，以及为什么要对齐？现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

       对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32 位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。

       对齐的实现通常，我们写程序的时候，不需要考虑对齐问题。编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法。但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以因为编辑器对数据存放做了对齐，而我们不了解的话，常常会对一些问题感到迷惑。最常见的就是struct数据结构的sizeof结果，出乎意料。为此，我们需要对对齐算法所了解。

       对齐的算法：设结构体如下定义：

struct A { int a; char b; short c; };

       结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个。所以A用到的空间应该是7字节。但是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。所以使用sizeof(strcut A)值为8。 现在把该结构体调整成员变量的顺序。

 struct B { char b; int a; short c; };

       这时候同样是总共7个字节的变量，但是sizeof(struct B)的值却是12。下面我们使用预编译指令#progma pack (value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。

#progma pack (2) /*指定按2字节对齐*/

struct C { char b; int a; short c; };

#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

sizeof(struct C)值是8。

修改对齐值为1： #progma pack (1) /*指定按1字节对齐*/

struct D { char b; int a; short c; };

#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

sizeof(struct D)值为7。对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。这里面有四个概念值：

        1.数据类型自身的对齐值：就是上面交代的基本数据类型的自身对齐值。

         2.指定对齐值：#progma pack (value)时的指定对齐值value。

         3.结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

         4.数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。

       有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整数倍，结合下面例子理解)。这样就不能理解上面的几个例子的值了。

        例子分析：分析例子B；

struct B { char b; int a; short c; };

       假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为
2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求， 0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12; 同理,分析上面例子C：

#progma pack (2) /*指定按2字节对齐*/

struct C { char b; int a; short c; };

#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

       第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以C的有效对齐值为2。又8%2=0,C
只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

 联合体union

      当多个数据需要共享内存或者多个数据每次只取其一时，可以利用联合体(union)。在C Programming Language 一书中对于联合体是这么描述的：

     1)联合体是一个结构；

     2)它的所有成员相对于基地址的偏移量都为0；

     3)此结构空间要大到足够容纳最"宽"的成员；

     4)其对齐方式要适合其中所有的成员；

下面解释这四条描述：

     由于联合体中的所有成员是共享一段内存的，因此每个成员的存放首地址相对于于联合体变量的基地址的偏移量为0，即所有成员的首地址都是一样的。为了使得所有成员能够共享一段内存，因此该空间必须足够容纳这些成员中最宽的成员。对于这句“对齐方式要适合其中所有的成员”是指其必须符合所有成员的自身对齐方式。

下面举例说明：

如联合体

union U
{
char s[9];
int n;
double d;
};

s占9字节，n占4字节，d占8字节，因此其至少需9字节的空间。然而其实际大小并不是9，用运算符sizeof测试其大小为16.这是因为这里存在字节对齐的问题，9既不能被4整除，也不能被8整除。因此补充字节到16，这样就符合所有成员的自身对齐了。从这里可以看出联合体所占的空间不仅取决于最宽成员，还跟所有成员有关系，即其大小必须满足两个条件：1)大小足够容纳最宽的成员；2)大小能被其包含的所有基本数据类型的大小所整除。