C/C++中的字节对齐，结构体对齐，alignment，详细的解释

字节对齐或者结构体对齐有什么作用？需要如何实现？本文详细分析了其中的细节，也欢迎大家一起来讨论，如有错误也请一并指出。

实际面试中可能不会涉及到那么具体的细节，一般只会问结构体对齐的规则是什么？关于这个问题可以参见本文的后一部分的内容，也可以看我的另一个文章：
https://blog.youkuaiyun.com/Sansipi/article/details/121599501

1. 名词解析

首先关于字节对齐（对齐的英文原名是alignment，但是英文里面没有byte alignment这种叫法，我见到的有data alignment, data structure alignment, structure alignment，这几个我觉得意思相近，都可以理解为data alignment，用byte alignment去搜索可能很久才能找到答案），结构对齐事实上涉及到的内容是非常多的，如果需要详细的掌握，
see：
http://www.catb.org/esr/structure-packing/#_version_history

这个资料是我目前觉得最为详细的关于structure alignment的资料，里面还涵盖了Java，Go等语言的情况。本文不涉及那么多只讨论c/c++中的情况。

对齐的意义：
c++的低级特性之一是能够指定内存中对象的精确对齐方式，从而最大限度地利用特定硬件架构的优势。在大多数情况下，不必关心对齐，因为默认对齐已经是最优的。但是，在某些情况下，通过为数据结构指定自定义对齐方式，可以实现显著的性能改进或内存节省。
（see: https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/alignment-cpp-declarations?view=msvc-170）

现代计算机硬件中的CPU在数据自然对齐时最有效地执行对内存的读和写，这通常意味着数据的内存地址是数据大小的倍数。如char 类型的自然对齐方式应该是1字节对齐，int类型应该是4字节对齐，注意对于32和64位的系统可能不一样，如long类型在32位系统下是4-byte aligned，64位系统下是8-byte aligned
(see: https://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure_alignment)

硬件平台对对齐的支持：
在允许非对齐的架构上(如x86和amd64)，非对齐的内存访问会比较慢，而在SPARC等严格对齐的架构上则是明确禁止的。

对齐的类型：
本文主要讨论结构体内部的数据对齐，事实上还有其他的对齐，比如两个不同大小的结构体如何对齐，这个问题本文不讨论，如想进一步了解，
see:
https://stackoverflow.com/questions/4306186/structure-padding-and-packing
http://www.catb.org/esr/structure-packing/#_version_history

2. padding 和 packing区分

英文里面的paddling是填充的意思，packing是压紧的意思，前者是在进行对齐的时候需要做的事，后者是在使用pack pragma的时候会改变的填充的规则。

3. 无pragma pack的结构体对齐规则

• 分配内存的顺序是按照声明的顺序
• 结构体内每一个数据成员的起始位置（第一个元素的起始位置看成0）都应当能被该成员的大小整除，如果不能，就需要对该成员的前一个成员进行填充
• 对于整个结构体而言，还需要满足整个结构体的大小能被大小最大的成员的大小整除，如果不能，就在最后一个成员进行填充
  上面的规则比较拗口，下面是实例：

/*
S 的大小为24。
首先i，j, k的起始位置分别为0, 4, 6，但是6不能被8整除，
因此需要对j进行填充，填充到7，以8作为k的起始位置就能符合要求，
因此实际的i，j, k的起始位置分别为0, 4, 8;
最后由于S的大小位16（4+2+2（填充）+8+4 = 20）不能被大小最大的元素k的
大小8整除，因此需要在l的后面填充4个字节，最终S的大小为24
*/
struct S {
	int i;   // size 4
	short j;   // size 2
	double k;   // size 8
	int l; // size 4
} S1;

4. 有pragma pack的结构体对齐规则

关于pack的详细解释：
see:
https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/preprocessor/pack?view=msvc-170

加入了#pragma pack(n)之后规则变成了（这是在一个面经里面看到的，希望有人能指出最原始的出处）：

• 结构体内每一个数据成员的起始位置要是n和当前成员大小中较小值的整数倍
• 结构体的整体大小要是n和最大变量大小中较小值的整数倍
• n值必须为1,2,4,8,16，为其他值时就按照默认的分配规则

下面是具体的实例

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
#pragma pack(push)
#pragma pack(2)
struct S {
	int i;   // size 4
	short j;   // size 2
	double k;   // size 8
	int l; // size 4
} S1;
#pragma pack(pop)

int main() {
	// 打印每一个元素的偏移量（也就是起始位置）
	printf("%zu ", offsetof(S, i));
	printf("%zu ", offsetof(S, j));
	printf("%zu ", offsetof(S, k));
	printf("%zu\n", offsetof(S, l));
	printf("S1 size is : %ld\n", sizeof(S1));
}

程序输出结果：

这是32位平台下运行的结果。

如果是应付面试的问题，我觉得记住3，4部分的内容就可以了，下面是我觉得有用的参考资料：
https://stackoverflow.com/questions/3318410/pragma-pack-effect

https://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure_alignment

https://cloud.tencent.com/developer/article/1631792