谈谈对齐（上）

谈谈对齐（上）

对齐问题主要有3点：变量对齐、结构对齐和数据对齐。前两点是编译器决定的变量映射和结构布局。最后一点与CPU的架构（CISC/RISC）有关。

在大多数情况下，对齐是编译器和CPU的事情，和程序员没什么关系。但在某些情况下，程序员又必须考虑对齐问题，否则会有一些麻烦。

0 约定和预备知识

0.1 地址边界

如果把字节看作小房子，内存就是顺序排列的小房子。每个小房子都有一个顺序编号的门牌号码，例如：0,1,2,...,0xffffffff。我们把这个门牌号码称作地址。本文将2的整数倍的地址记作2n边界，将4的整数倍的地址记作4n边界，依此类推。显然每个地址都是1n边界，每个4n边界都是2n边界，每个8n边界都是4n边界。

所谓“对齐”就是把变量放在什么样的地址边界上，例如：1n边界，2n边界，还是4n边界。

0.2 变量的分类

分类源自角度。有多少角度，就有多少分类。最近经常被迫收听“One World, One dream”，其实在我看来，每个生命都有独一无二的梦想，何况国家。如果狗熊有宗教信仰，它心目中的上帝应该是一只相貌儒雅的狗熊吧。

0.2.1 基本类型和复合类型

从构成看，变量可以分为基本类型的变量和复合类型的变量。基本类型就是语言内部支持的简单类型，例如char, short, int, double等。复合类型由基本类型组成，例如结构。本文将基本类型的变量记作基本变量，将复合类型的变量记作复合变量或结构变量。

基本变量的长度目前有1、2、4、8字节。以后可能会有更大的基本变量。嵌入式环境通常不支持浮点，常见的长度是1、2、4字节。

0.2.2 变量的地址

从地址看，变量可以分成有确定地址的变量和没有确定地址的变量。所谓“有确定地址”就是指在程序运行前就有确定的地址。而“没有确定地址”的变量，它们的地址是在运行时确定的。

全局变量和静态变量都有确定地址。局部变量和动态分配的变量没有确定地址。本文将有确定地址的变量记作有址变量。

1 变量对齐

1.1 没有确定地址的变量

局部变量是从堆栈分配的，编译器通常会保证每个局部变量的地址都在4n边界上。

动态分配的变量是从堆上分配。堆的实现与标准库和操作系统有关。在一些简单的嵌入式系统中，我们需要自己实现动态内存分配，这时我们要保证每次分配的内存块地址都在4n边界上，以避免后面谈到的数据对齐问题。

1.2 有确定地址的变量

有址变量的地址是在链接时确定的。编译器通常有设置变量对齐方式的编译选项，我们通常使用该选项的默认值。在默认情况下，编译器会按照默认方式对齐放置有址变量。

所谓按“按默认方式对齐”，就是将长度为1的基本变量放在1n边界上。将长度为2的基本变量放在2n边界上。将长度为4的基本变量放在4n边界上，依此类推。

每个结构变量总是由一个个基本变量构成。结构变量按照该结构中最长的基本变量对齐。如果某个结构基本变量的最大长度是1，编译器就可以把这个结构放在1n边界上。如果某个结构基本变量的最大长度是4，编译器就应该把这个结构放在4n边界上。

那么结构中的成员变量又是怎样对齐的？