单片机/C/C++八股：（十五）内存对齐、结构体内存对齐

上一篇下一篇const 关键字的作用和 define 比呢目 录内存对齐、结构体内存对齐1分析讲解2总结内存对齐、结构体内存对齐视频教学连接CPU 到底是怎么读内存的十分钟搞懂内存对齐_哔哩哔哩_bilibili1分析讲解一切的根本原因是CPU 从内存中读取数据32 位系统一次会读取 32 位4字节64 位系统一次会读取 64 位8字节以 32 位系统为例一次读 4 字节就意味着从 0 地址开始的话每次都会从 4 的整数倍地址处开始读。所以为了保证读取效率和兼容性数据存储的时候会自动进行内存对齐实现内存对齐的方式是在变量值之间填充字节padding。数据不进行内存对齐的话就需要读取多次才能拼出完整的值内存对齐规则数据类型的大小就是它的对齐边界数据类型占n nn个字节那么其起始地址就必须存放在n nn的倍数地址上。比如在 32 系统中char 对齐边界1字节任意地址short 对齐边界2字节偶数地址int / float 对齐边界4字节4的倍数地址double 对齐边界8字节8的倍数地址。内存对齐是通用的 硬件/ABI 要求不仅限于结构体主要考察结构体内存对齐还有另一个原因⟶ \longrightarrow⟶结构体的特性结构体的大小必须是占内存最大成员的整数倍。核心原因为了支持结构体数组的正确内存布局确保结构体数组中每一个元素的起始地址都满足其内部成员的对齐要求从而保证程序在所有平台上正确、高效运行。具体来说假设定义了一个结构体S并声明一个数组struct S arr[2];结构体数组元素在内存中是紧挨着的即arr[1] arr[0] sizeof(struct S)为了让arr[1]中的每个成员也依然满足对齐要求sizeof(struct S)必须是一个“安全步长”这个步长必须能保证下一个结构体实例的起始地址仍然满足其内部所有成员的对齐约束。而这个“安全步长”的最小值就是结构体中最大成员的对齐要求也就是结构体的大小必须是占内存最大成员的整数倍。为了达到这个效果编译器会在结构体尾部填充字节。以如下结构体为例structBadStudent{chargrade;// 1字节intid;// 4字节chargender;// 1字节};以为是 1416 字节实际上是 12 字节先内存对齐到 1(3)419 字节 → 再填充字节到 int 型的整数倍 12 字节。缺点及优化方法缺点内存对齐会导致填充字节无法使用造成内存浪费。方法结构体成员按数据类型从大到小排列如果定义了一个 char 型的数组那这个数组不用放在最前面单个元素只是 char 但数组长度可能会造成一定的影响。还以那个结构体为例其元素换个顺序structBadStudent{intid;// 4字节chargrade;// 1字节chargender;// 1字节};现在实际上占用 4116 → 8 字节。2总结内存对齐源于 CPU 根据系统位数按固定字长如 4 或 8 字节高效读取内存的机制要求数据起始地址为其类型大小的整数倍。内存对齐的规则数据类型占n nn个字节那么其起始地址就必须存放在n nn的倍数地址上32/64位系统中数据类型所占字节数不同。而为了确保结构体数组中每一个元素的起始地址都能满足其内部成员的对齐要求所以结构体的大小必须是占内存最大成员的整数倍。虽然内存对齐提高了 CPU 的访问效率但会造成所填字节的浪费所以为了节省空间结构体成员最好要按数据类型从大到小排列。