数据对齐

概述

许多计算机系统对基本数据类型的合法地址做出了一些限制，要求某种类型对象的地址必须是某个值K（通常是2,4,8）的倍数。这种对齐简化了形成处理器和内存系统之间接口的硬件设计。比如一个处理器每次从内存中读取八个字节，如果保证每个double类型数据的地址对齐成8的倍数，那么就可以用一个内存操作完成读写值，否则要进行两次读写操作，因为对象可能放在两个8字节内存块中

实例

对于包含结构体的代码，操作系统可能要在其字段的分配中加入空隙来保证每个类型的对齐，比如：

struct S1{
    int i;
    char c;
    int j;
}

如果按照4+1+4=9字节分配，则每个字段分配为i=0-3,c=4,j=5-8 。由于j的偏移量为5，不满足4字节对齐要求。故在实际的分配中，c的后面会加入三个字节的空隙，即c分配4-7。总的分配空间为12个字节。

struct S2{
    int i;
    int j;
    char c;
}

这样会分配9个字节么？其实也不会，考虑如下声明；
struct S2 s[4];
如果分配9个字节，第一个元素的每个字段符合数据对齐，每个元素的地址为xd,xd+9,xd+18,xd+27，显然也不行。故编译器仍然会在c的后面填充3个字节，即每个元素占12个字节，这样一来，每个元素的地址为xd,xd+12,xd+24,xd+36，只要xd对齐，其他元素也一定会对齐也就是说，每个元素浪费3个字节的空间，虽然浪费了空间，但是在读取中的便利，这点浪费还是值得的。

下面看两道CSAPP上面的题目

A : struct P1{int i;char c;int j;char d;};
B: struct P2{int i;char c;char d;long j;};
C: struct P3{short w[3];char c[3];};
D : struct P4{short w[5];char *c[3]};
E : struct P5{struct P3 a[2];struct P2 t};
求各个字段的偏移量和结构的总的大小，以及对齐要求

A：每个字段都被分配四个字节，共16字节。对齐：起始4的倍数
B：i偏0占4个字节，c偏4占2个字节，d偏6占两个字节，j偏8占8个字节。共16字节，对齐：起始8的倍数
C：w偏0占2*3=6个字节，c偏6占1+1+2=4个字节，共10个字节。对齐：起始2的倍数
D：w偏0占2*4+8=16个字节，*c偏16占3*8=24个字节，共40个字节。对齐：起始8的倍数
E：a偏0占10+14=24个字节，t偏24占16个字节，共40个字节，对齐：起始8的倍数
知道原理了每个字段大小的计算比较简单。整体的对齐要求就是每个字段的对齐要求的最小公倍数。比如B中int（4）和long（8）的最小公倍数，E中a（2）和t（8）的最小公倍数

struct {
    char *a;
    short b;
    double c;
    char d;
    float e;
    char f;
    long g;
    int h;
}rec;

A.求各个字段的偏移量
B.这个结构的总大小
C.重新编排结构中的字段，以最小化浪费空间，给出其大小

A: *a偏0占8字节，b偏8占8字节，c偏16占8字节，d偏24占4字节，e偏28占4字节，f偏32占8字节，g偏40占8字节，h偏48占8字节。
B: 共56字节
C: 可以看出，每个浪费空间的字段之所以会发生填充浪费，是为了对齐后面的本身占空间就大的字段，故只需将字段定义顺序改为降序排列即可（答案只有降序），其实升序也可以，因为不管升序还是降序，都至少有一个字段会发生填充浪费。解答如下：

struct {
    char * a;  //0,8,32,8
    double c; //8,8,24,8
    long g;     //16,8,16,8
    int h;        //24,4,8,8
    float e;     //28,4,4,4
    short b;    //32,2,2,2
    char d;     //34,1,1,1
    char f;      //35,5,0,1
}

解释下注释：
第一列表示降序排列时每个字段的偏移量，
第二列表示降序排列时每个字段所占空间大小，
第三列表示升序排列时每个字段的偏移量，
第四列表示升序排列时每个字段所占空间的大小。
可见不论升序还是降序，都占40字节