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。

1、字节对齐作用和原因：

​ 

        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。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误，那么在这种架构下编程必须保证字节对齐，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这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要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32bit数据，显然在读取效率上下降很多。


2．为什么要对齐？

 

数据对齐不是内存结构的一部分，而是CPU结构的一部分。当CPU试图读取的数值没有正确的对齐时，CPU可以执行两种操作之一：产生一个异常条件；执行多次对齐的内存访问，以便读取完整的未对齐数据，若多次执行内存访问，应用程序的运行速度就会慢。在最好的情况下，是两倍的时间，有时更长。


3.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。


一.计算struct的size有两个原则：
#pragma pack(n)
n是编译器的对齐字节数

（1）struct中各成员按照对齐原则：在为当前变量（设为a）分配内存时，要参考之前所有变量的偏移量之和（设为d），d必须是min(n,sizeof(a))的倍数，否则编译器会自动在最后补上缺少的字节数。（2）待所有变量都分配完毕之后，还要比较当前所占内存（设为c）与struct中长度最大的变量的长度（设为b），c必须是b的倍数，否则编译器也会在最后补上缺少的字节数。

二.union
union的长度取决于其中的长度最大的那个成员变量的长度。即union中成员变量是重叠摆放的，其开始地址相同。


一篇讲对齐比较好的文章，转贴如下:
大致标注一二:
1.内存对齐:计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)
2.不同编译器默认的最大对齐字节数是不一样的,比如vc==8,gcc==4,可以通过#progma pack (n)来修改,分析程序的时候要注意编译器的区别
3.一个结构体里面,按照alignment modulus最大的数据成员来进行对齐,超过编译器规定最大的对齐字节个数,按编译器最大对齐字节个来
4.double类型在vc里面alignment modulus == 8,而在gcc里面由于默认最大对齐个数是4,不设置的话,alignment modulus == 4
5.因为数组各元素之间不能有空隙,所以{int a;char b;}
这种情况,默认在VC里面也需要占8个字节.

正文如下：

当在C中定义了一个结构类型时，它的大小是否等于各字段(field)大小之和？编译器将如何在内存中放置这些字段？ANSI C对结构体的内存布局有什么要求？而我们的程序又能否依赖这种布局？这些问题或许对不少朋友来说还有点模糊，那么本文就试着探究它们背后的秘密。

    首先，至少有一点可以肯定，那就是ANSI C保证结构体中各字段在内存中出现的位置是随它们的声明顺序依次递增的，并且第一个字段的首地址等于整个结构体实例的首地址。比如有这样一个结构体：

struct vector{int x,y,z;} s;
 int *p,*q,*r;
 struct vector *ps;

 p = &s.x;
 q = &s.y;
 r = &s.z;
 ps = &s;assert(p < q);
 assert(p < r);
 assert(q < r);
 assert((int*)ps == p);
// 上述断言一定不会失败

    这时，有朋友可能会问:"标准是否规定相邻字段在内存中也相邻?"。 唔，对不起，ANSI C没有做出保证，你的程序在任何时候都不应该依赖这个假设。那这是否意味着我们永远无法勾勒出一幅更清晰更精确的结构体内存布局图？哦，当然不是。不过先让我们从这个问题中暂时抽身，关注一下另一个重要问题————内存对齐。

    许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignmentmodulus)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数，我们就称类型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽松)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要求的情况下可能会出错，但是Intel的IA32架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家，如果想提升性能，那么所有的程序数据都应该尽可能地对齐。Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80x86)在默认情况下采用如下的对齐规则: 任何基本数据类型T的对齐模数就是T的大小，即sizeof(T)。比如对于double类型(8字节)，就要求该类型数据的地址总是8的倍数，而char类型数据(1字节)则可以从任何一个地址开始。Linux下的GCC奉行的是另外一套规则(在资料中查得，并未验证，如错误请指正):任何2字节大小(包括单字节吗?)的数据类型(比如short)的对齐模数是2，而其它所有超过2字节的数据类型(比如long,double)都以4为对齐模数。

    现在回到我们关心的struct上来。ANSI C规定一种结构类型的大小是它所有字段的大小以及字段之间或字段尾部的填充区大小之和。嗯？填充区？对，这就是为了使结构体字段满足内存对齐要求而额外分配给结构体的空间。那么结构体本身有什么对齐要求吗？有的，ANSI C标准规定结构体类型的对齐要求不能比它所有字段中要求最严格的那个宽松，可以更严格(但此非强制要求，VC7.1就仅仅是让它们一样严格)。我们来看一个例子(以下所有试验的环境是Intel Celeron 2.4G + WIN2000 PRO + vc7.1，内存对齐编译选项是"默认"，即不指定/Zp与/pack选项):

typedef struct ms1
 {
 char a;
 int b;
 } MS1;    假设MS1按如下方式内存布局(本文所有示意图中的内存地址从左至右递增):
       _____________________________
             |       |                   |
             |   a  |        b         |
             |       |                   |
          +---------------------------+
 Bytes:    1             4

    因为MS1中有最强对齐要求的是b字段(int)，所以根据编译器的对齐规则以及ANSI C标准，MS1对象的首地址一定是4(int类型的对齐模数)的倍数。那么上述内存布局中的b字段能满足int类型的对齐要求吗？嗯，当然不能。如果你是编译器，你会如何巧妙安排来满足CPU的癖好呢？呵呵，经过1毫秒的艰苦思考，你一定得出了如下的方案：

_______________________________________
            |       |\\\\\\\\\\\\\\\\\|                 |
            |   a  |\\padding\\|       b        |
            |       |\\\\\\\\\\\\\\\\\|                 |
           +-------------------------------------+
 Bytes:    1         3             4

    这个方案在a与b之间多分配了3个填充(padding)字节，这样当整个struct对象首地址满足4字节的对齐要求时，b字段也一定能满足int型的4字节对齐规定。那么sizeof(MS1)显然就应该是8，而b字段相对于结构体首地址的偏移就是4。非常好理解，对吗？现在我们把MS1中的字段交换一下顺序:

typedef struct ms2
 {
 int a;
 char b;
 } MS2;    或许你认为MS2比MS1的情况要简单，它的布局应该就是
       _______________________
            |             |       |
            |     a      |   b  |
            |             |       |
           +-----------------+
 Bytes:      4           1

    因为MS2对象同样要满足4字节对齐规定，而此时a的地址与结构体的首地址相等，所以它一定也是4字节对齐。嗯，分析得有道理，可是却不全面。让我们来考虑一下定义一个MS2类型的数组会出现什么问题。C标准保证，任何类型(包括自定义结构类型)的数组所占空间的大小一定等于一个单独的该类型数据的大小乘以数组元素的个数。换句话说，数组各元素之间不会有空隙。按照上面的方案，一个MS2数组array的布局就是:

|<- array[1]-> |<-array[2]   ->|<- array[3] .....
__________________________________________________________
      |             |       |              |      |
      |     a      |   b  |      a      |   b |.............
      |             |       |              |      |
     +----------------------------------------------------------
Bytes: 4         1          4           1

    当数组首地址是4字节对齐时，array[1].a也是4字节对齐，可是array[2].a呢？array[3].a ....呢？可见这种方案在定义结构体数组时无法让数组中所有元素的字段都满足对齐规定，必须修改成如下形式:

___________________________________
          |               |       |\\\\\\\\\\\\\\\\\\|
          |     a        |   b  |\\padding\\\|
          |               |       |\\\\\\\\\\\\\\\\\\|
          +---------------------------------+
 Bytes:      4           1         3

    现在无论是定义一个单独的MS2变量还是MS2数组，均能保证所有元素的所有字段都满足对齐规定。那么sizeof(MS2)仍然是8，而a的偏移为0，b的偏移是4。

    好的，现在你已经掌握了结构体内存布局的基本准则，尝试分析一个稍微复杂点的类型吧。

typedef struct ms3
 {
 char a;
 short b;
 double c;
 } MS3; ______________________________________
             |    |\|     |\\\\\\\\\\\\\\\|                           |
             | a |\| b  |\padding\|       c                  |
             |    |\|     |\\\\\\\\\\\\\\\|                           |
 +---------------------------------------------------------------+
 Bytes:   1 1     2       4                      8

          
sizeof(short)等于2，b字段应从偶数地址开始，所以a的后面填充一个字节，而sizeof(double)等于8，c字段要从8倍数地址开始，前面的a、b字段加上填充字节已经有4 bytes，所以b后面再填充4个字节就可以保证c字段的对齐要求了。sizeof(MS3)等于16，b的偏移是2，c的偏移是8。接着看看结构体中字段还是结构类型的情况:

typedef struct ms4
 {
 char a;
 MS3 b;
 } MS4;

    MS3中内存要求最严格的字段是c，那么MS3类型数据的对齐模数就与double的一致(为8)，a字段后面应填充7个字节，因此MS4的布局应该是:

_______________________________________
            |       |\\\\\\\\\\\\\\\\\\|                        |
            |   a  |\\padding\\\|       b               |
            |       |\\\\\\\\\\\\\\\\\\|                        |
            +------------------------------------------------------+
 Bytes:    1         7             16

    显然，sizeof(MS4)等于24，b的偏移等于8。

    在实际开发中，我们可以通过指定/Zp编译选项来更改编译器的对齐规则。比如指定/Zpn(VC7.1中n可以是1、2、4、8、16)就是告诉编译器最大对齐模数是n。在这种情况下，所有小于等于n字节的基本数据类型的对齐规则与默认的一样，但是大于n个字节的数据类型的对齐模数被限制为n。事实上，VC7.1的默认对齐选项就相当于/Zp8。仔细看看MSDN对这个选项的描述，会发现它郑重告诫了程序员不要在MIPS和Alpha平台上用/Zp1和/Zp2选项，也不要在16位平台上指定/Zp4和/Zp8(想想为什么？)。改变编译器的对齐选项，对照程序运行结果重新分析上面4种结构体的内存布局将是一个很好的复习。

    到了这里，我们可以回答本文提出的最后一个问题了。结构体的内存布局依赖于CPU、操作系统、编译器及编译时的对齐选项，而你的程序可能需要运行在多种平台上，你的源代码可能要被不同的人用不同的编译器编译(试想你为别人提供一个开放源码的库)，那么除非绝对必需，否则你的程序永远也不要依赖这些诡异的内存布局。顺便说一下，如果一个程序中的两个模块是用不同的对齐选项分别编译的，那么它很可能会产生一些非常微妙的错误。如果你的程序确实有很难理解的行为，不防仔细检查一下各个模块的编译选项。

    思考题:请分析下面几种结构体在你的平台上的内存布局，并试着寻找一种合理安排字段声明顺序的方法以尽量节省内存空间。

struct P1 { int a; char b; int c; char d; };
    B. struct P2 { int a; char b; char c; int d; };
     C. struct P3 { short a[3]; char b[3]; };
    D. struct P4 { short a[3]; char *b[3]; };
    E. struct P5 { struct P2 *a; char b; struct P1 a[2]; };//附[答案]:sizeof(P1) =16 ;  sizeof(P2) =12 ; sizeof(P3) = 10; sizeof(P4) = 20; sizeof(P5) = 40。
//答案使用的编译环境为VC6.0.