关于结构体内存对齐规则的整理及思考

        最近两天看了一些关于结构体内存对齐的文章，便想把它们整理一下，也加入了一点自已的思考，只当为自己理清思路，如果有误，还望大家指正。

一、为什么要内存对齐

       内存对齐，主要是为了提高CPU的效率。关于这个问题，这篇文章讲得很好《Data alignment: Straighten up and fly right》，我怕自己表述不清楚，所以还是请大家直接看这篇文章。

二、结构体内存对齐的规则

       结构体内存对齐的要求，就是要确保结构体中的每一个数据成员，其起始地址是该数据成员所占字节数的整数倍。为了满足这一要求，便有了如下这些规则：
2.1 一个结构体对象的起始地址(也等于该结构体对象的第一个数据成员的地址)，一定是该结构体中最大成员的整数倍；

2.2 结构体的数据成员中，第一个数据成员的的偏移量为0，其余数据成员的偏移量，必须是其自身大小的整数倍；

2.3 结构体的总大小，也就是sizeof的结果，必须是其内部最大成员的整数倍，不足的要在最后一个数据成员之后补齐；

2.4 如果一个结构体A中包含有另一结构体B或数组（数组此时可看做特殊的结构体），则B在A中的偏移量必须是B中最大数据成员的整数倍。

三、为什么会有上述四条规则

       我们知道，一个结构体对象中，某数据成员的地址（记为A），应该等于该结构体对象的起始地址（记为B），加上该数据成员在该结构体中的偏移量（记为C）。即：A = B + C，要保证A为该数据成员大小的整数倍，一种可行的方法是让B和C都为该数据成员大小的整数倍。
       规则2.1中，规定B应该是该结构体中最大数据成员的整数倍，也就意味着，B是该结构体中每一个数据成员大小的整数倍，再加上规则2.2，就可以保证，该结构体对象中每一个数据成员都可以满足结构体内存对齐的要求（第二段中红字）。
       对于单个结构体对象，规则2.1和2.2足以使其满足结构体内存对齐的要求，之所以还要满足规则2.3，是出于对结构体数组的考虑。对于结构体数组而言，需要让该数组中的每一个元素都满足规则2.1和2.2，但对于任何数组，数组中的元素都必须连续存储，所以在有些情况下，就必须对结构体进行补齐。而只要满足了规则2.3，就恰好可以确保结构体数组中的每一个元素都满足规则2.1和2.2。
       接下来考虑复杂一点的问题，考虑如下定义的2个结构体：

struct M
{
char c;
double d;
};

struct N
{
int i;
M m;
};

       结构体M的对象m作为了结构体N的数据成员。遇到这种情况时，对于结构体M的内存是如何对齐的，我想看了前边的分析后大家应该都比较清楚，而对于结构体N，其包含的数据成员m，是否应该当做一个整体来对待？我们最终的目的，是使得N中所有的数据成员（包括包含在m中的c和d），都满足结构体内存对齐的要求。我们知道如何让N中的数据成员i对齐，那么如何让m中的c和d也对齐呢，c和d在m中的偏移量由规则2.2指出，而c和d的最终地址，还得加上m的地址，而m的地址又等于m在N中的偏移量加上N的地址，所以就有了规则2.4，要求m在N中的偏移量应等于m中最大数据成员的整数倍，同时要求，N的起始地址，应当是N的所有数据成员（即i，c，d）中，占用空间最大的那一个（即d）的整数倍。

四、参考

1.http://www.ibm.com/developerworks/library/pa-dalign/
2.http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/6729724
3.http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4084088