C++字节对齐

C++确实是一门很深奥很底层的语言…没想到就连字节对齐也有这么多门道。希望通过本文全面记录并帮助读者理解字节对齐。我觉得计算机知识的学习不仅要知其然，更要知其所以然，知道为什么要这样设计，而不是死记硬背，才能领悟前任这样设计的思想，未来真正运用的时候才能融会贯通

什么是字节对齐

计算机在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种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。

为什么需要字节对齐

1. 提高访问效率：比如intel 32位cpu，每个总线周期都是从偶地址开始读取32位的内存数据，如果数据存放地址不是从偶数开始，则可能出现需要两个总线周期才能读取到想要的数据，而且还要对两次读取的结果进行拼凑才能得到完整的数据，因此需要在内存中存放数据时进行对齐。
2. 平台原因（移植原因）：不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，有些平台可能智能从某些特定地址开始读取。

对齐模数概念

在讲解如何进行字节对齐前，先介绍对齐模数的概念

• 许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中的存放位置有限制（也就是需要进行字节对齐），会要求这些数据的首地址值是某个值K（K是四的倍数）
• 这个值K就是该数据类型的对齐模数
• 当一种类型T1的对齐模数 / 另一种类型T2的对齐模数 > 1（且为整数），则称类型T1的对齐要求比T2严格，T2比T1宽松
• 可以通过预编译命令#pragma pack(n)来指定对齐模数，n为2的整数幂
  • 实际的有效对齐模数是 指定对齐模数与类型自身对齐模数中的较小值，即 实际对齐模数 = min(指定对齐模数，这个数据成员的字节数)—这里要非常注意，下面的规则会频繁用到“实际对齐模数”这一概念

ps:在我的64位OS上对齐模数是8，我猜测对齐模数可能与电脑的位数有关

如何进行字节对齐

结构体中字节对齐的规则

先从结构体开始讲解，类的字节对齐规则实际上也是基于结构体的字节对齐规则。

提示：以下例子的运行结果是在64位GCC编译器下得到的，在这一情况下每种基本类型占用的字节数位：char 1 short 2 int 4 float 4 double 8 指针 8

不管是结构体还是类，内存对齐都遵循以下三个原则：

1. 结构体每个数据成员的起始地址能够被该数据成员的实际对齐模数
2. 结构体每个成员相对于起始地址的偏移能够被实际对齐模数整除，如果不能则在前一个成员后面补充字节（为了寻址）
3. 结构体总体大小能够被最宽成员的实际对齐模数整除，如不能则在后面补充字节

字节对齐的过程：

1. 各成员变量在存放时会根据在结构中出现的顺序依次申请空间，同时按照上面的三个原则调整位置，空缺的字节会自动填充
2. 为了确保结构的大小时结构的对齐模数的倍数，在为最后一个成员变量申请了空间之后，还会根据需要自动填充空缺的字节数

下面给出一个实例：

//我的电脑是64位机器，默认的对齐模数是8字节
struct student_info {
    char name;//偏移量为0，满足对齐方式,name占用一个字节
    int age;//偏移量为1,不是 sizeof(int)的倍数，需要补足3个字节，age存放在偏移量为4的地址上，它自己占用4个字节
    int number;//偏移量为4，是sizeof(int)的倍数，不需要补足字节，number存放在偏移量为8的地址上，它自己占用4个字节
    char add;//偏移量为12，是sizeif(char)的倍数，不需要补足字节，add存放在偏移量为12的地址上，它自己占用1个字节
    double test;//偏移量为13，不是sizeof(double)的倍数，需要补足7个字节，补足后test存放在偏移量为16的地址上，它自己占用8个字节
    char tttt;//此时偏移量为24，是sizeof(char)的倍数，不需要补足字节，tttt存放在偏移量为24的地址上，它自己占用1个字节
};//，所有成员变量都分配了空间，空间的总大小为25，不是实际对齐模数的倍数，需要填充字节，填充至32

int main() {
    cout << sizeof(student_info) << endl;
    return 0;
}
//输出32
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假如上面的例子指定对齐模数为2

#pragma pack(2)
1

答案会是22

嵌套结构体的字节对齐规则

（这部分参考了别人的博客）
内嵌结构体的第一个成员编程在外结构体中的偏移量，是“MIN(指定对齐模数，内嵌结构体中最大数据类型)”的倍数。
例子：

struct TEST 
{
    int a;  
    char b; 
    char c; 
    int d;
    char e;
    struct child {
        int f;
        long long g;  //8 bytes，long long 是chile结构体的最大数据类型
    }ch;
    char ci;
};
// sizeof(struct TEST)  = 40
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在这个例子中，前面a,b,c,d,e的计算规则与普通结构体的计算规则相同，字符e的起始位置为12，占一个字节，然而由于child这个内嵌结构体的偏移量需要是min(最长数据成员所占字节 long long 8,对齐模数8) = 8的整数倍，因此需要在char e后进行填充，填充到16,然后再存，接下来的过程如下

1. 存放int f：起始地址为 16，占4个字节
2. 存放long long g：按照规则，起始地址需要是8的倍数，因此需要填充4个字节，该数据的实际其实地址为24，该数据占8个字节
3. 存放char ci：起始地址为32，该数据占1个字节
4. 最后，所有成员变量都分配了空间，空间的总大小为33，不是实际对齐模数的倍数，需要填充字节，填充至40，因此sizeof(struct TEST) = 40

类中的字节对齐规则

需要首先类中的字节对齐规则比较复杂，涉及虚函数、静态成员、虚继承、多继承、空类等情况。类本身是没有大小可言的，这里计算的sizeof(xxx)实际上是该类所对应对象的大小

具体规则总结如下：

1. 假如不是虚类，计算实际上与结构体的一致，不需要对函数、静态数据进行计算。类的静态数据成员被该类所有的对象所共享，并不属于具体哪个对象，静态数据成员定义在内存的全局区
2. 假如是虚类，需要明确C++在实现虚类时其实隐藏了虚表指针（本质上就是指针类型）。注意基类有一个虚表指针。此外对于派生类，考虑到多继承的情况，有多少个继承就会有多少个虚表指针，在计算类大小的时候需要将虚表指针也纳入考虑
3. 关于空类：因为C++中凡是一个独立的(非附属)对象都必须具有非零大小，不同的对象不能具有相同的地址，所以这里做了一个特殊处理：空类大小为1。假如是继承空类：这个空类对于派生类不占用空间。假如是拥有一个空类对象：空类对象占一个字节

总结

字节对齐看似简单，但是深究起来其实是对很多知识点的总结，包括

• OS是怎么寻址的
• C++虚函数的实现原理
  在平时学习的时候也要注意对知识点的融会贯通，学什么都是这样的。

参考资料

1. C++中的字节对齐_云飞扬_Dylan的博客-CSDN博客
2. c++类的大小计算_rotation ㅤ   的博客-CSDN博客
3. C++中的字节对齐