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前言

對于C/C++程序員來說，掌握數據對齊是很有必要的，因為只有了解了這個概念，才能知道編譯器在什么時候會偷偷的塞入一些字節（padding）到我們的結構體（struct/class），也唯有這樣我們才能更好的理解、優化結構體和內存。

幾個栗子

看看幾個簡單的Struct，能猜出他們的SIZE嗎？（運行于64Bit win10 vs2017）

struct A
{
	char c1;
};

struct B
{
	int i1;
};

struct C
{
	char c1;
	int i1;
};

struct D
{
	char c1;
	int i1;
	char c2;
};

struct E
{
	char c1;
	char c2;
	int i1;
};

int main()
{
	std::cout << "A"s size is " << sizeof(A) << std::endl;
	std::cout << "B"s size is " << sizeof(B) << std::endl;
	std::cout << "C"s size is " << sizeof(C) << std::endl;
	std::cout << "D"s size is " << sizeof(D) << std::endl;
	std::cout << "E"s size is " << sizeof(E) << std::endl;	
}

先揭曉答案

C++中的數據對齊示例詳解

如果對任何一個結構體的大小有疑問，那么這篇文章非常適合你，請接著往下看，我們會解釋數據對齊。

數據對齊

處理器讀取數據的行為

在C/C++中，每種數據類型都有對齊的要求（這個更多是處理器的要求而非語言層面），大家都知道，處理器工作的時候需要數據總線（data bus）、控制總線（control bus）和地址總線（address bus）一起配合工作。而在數據總線取數據的時候，處理器為了高效的工作，一次會取4byte或者8byte數據（依系統32bit或者64bit而不同），這就是所謂數據字長（word size）。同時在讀取內存的時候，也會從4byte或者8byte邊界開始讀取，這是處理器行為，我們只能尊重不能改變?？紤]下面的例子，

struct F
{
  int i1
  char c1;
  int i2;
  char c2;
};
#include <iostream>

int main()
{
  F f;
  printf("0x%p
", &f);
}

它的起始地址輸出是：

0x000000FE8BCFFB88

所以在內存中可能的排列就是：

C++中的數據對齊示例詳解

讀取數據的時候，每次讀入8btye，8個字節為一個讀取單元，就像蒸籠的一格，這樣做的好處是每次可以盡可能多的讀入數據，減少讀取次數。設想，如果一次只讀入一個字節數據，那么一個Int就需要4次讀取，明顯效率就很低。

編譯器的做法

如果沒有對齊

了解了處理器如何讀取數據的，我們就不難理解編譯器為什么會做出調整。試想，如果編譯器不在后臺做出填充（padding），那么我們就會遇到這種情況

C++中的數據對齊示例詳解

像這樣的話，訪問i1, c1 都不會有問題，但是訪問i2就會發現，數據散落在不同的蒸籠，原本只需要一次讀取就行的數據，還需要一次額外的數據讀取才行，這就造成了讀取數據的低效，在某些嚴格的CPU，比如ARM上面，這種非對齊的數據讀操作甚至會被拒絕。

編譯器對齊

所以，為了讓數據讀取效率最大化，編譯器會選擇犧牲一部分空間來換取效率，他們不會允許i2橫跨兩個讀取單元。在實際中，上面的結構體會是這樣的

C++中的數據對齊示例詳解

可以看出，

為了解決i2的對齊問題，c1之后填充了3個空字節
同時為了保持整個結構體的對齊（結構體對齊字節數等于其最大的數據成員的對齊字節數，這里是4），在結構體的尾部還會有3個空字節
整個結構體的大小就是16字節，有6個字節是空字節。

所以，在編譯器的作用下，最開始幾個Struct實際上擴展為，

struct A
{
	char c1; //no padding
};

struct B
{
	int i1; //no padding
};

struct C
{
	char c1;
	char pad[3]; //padding
	int i1;
};

struct D
{
	char c1;
	char pad1[3]; //padding
	int i1;
	char c2;
	char pad2[3]; //padding
};

struct E
{
	char c1;
	char c2;
	char pad[2]; //padding
	int i1;
};

對齊的目的是要讓數據訪問更高效，一般來說，數據類型的對齊要求和它的長度是一致的，比如，