内存地址对齐

内存地址对齐是在内存中的数据（具体为变量的地址、内存块的地址）按照指定地址长度对齐，包含了基本的变量数据对齐和结构体数据对齐。

为什么需要内存对齐？
可以提高CPU和内存交互的效率，比如一个32位的系统，CPU读取内存，硬件设计上只支持4字节或4字节的倍数对齐进行地址访问，CPU在每次访问内存时，一个周期可以访问4字节，如果要访问的数据是4字节对齐的地址，CPU一次就可以把数据访问完毕；如果访问的数据不是4字节对齐，cpu就需要分两次才能把4字节数据访问完成。

什么时候完成的内存对齐？

为了与具体的arch设计提高运行效率，编译器会自动完成内存对齐操作，在编译程序时，对应基本的数据类型，如int，char,short,float等，会按照其数据类的大小进行地址对齐，这样对齐方式分配的存储地址，CPU一次就可以访问完毕。这样即使会造成内存的空洞，浪费一些内存单位，但是对于硬件设计和运行效率可以极大的简化和提升。除了了基本的数据类型外，包括一些复合数据类型如结构体也要满足对齐要求。

数据类型对齐

32位系统，编译对齐规则

char: 1字节对齐
short：2字节对齐
init：4字节对齐
float：4字节对齐
double：8字节对齐
指针：4字节对齐

64为系统，编译对齐规则
指针：8字节对齐

结构体类型对齐

结构体数据内存对齐，具体是结构体内的各个数据对齐。结构体作为一种复合数据类型，编译器在分配存储空间时，不仅要考虑结构体内各个基本成员的地址对齐，还要考虑结构体整体的对齐。

• 成员变量对齐：按照各自成员变量类型对齐，如32位系统 int 为4字节对齐
• 结构体整体对齐：成员变量最大对齐字节或其整数倍对齐，在尾部补齐。如最大成员对齐是4，那么就需要是4的整数倍。

结构体的大小为什么需要按照最大成员变量填充对齐？

当数据按照一定的对齐规则进行排列时，CPU可以更高效地访问这些数据。这是因为CPU在读取内存数据时，通常是按照固定的大小块来读取的。例如，在64位系统中，CPU从内存的0-7位置开始读取，然后是8-15，16-23以此类推。如果结构体的成员没有按照最大成员变量的大小进行对齐，那么在连续的结构体数据（如结构体数组）中，变量的位置可能不再合理，导致读取效率下降。例如，如果一个int64类型的变量原本应该从0-7位置开始连续读取，但如果前面的成员没有对齐，下一个结构体的起始位置就可能不对，导致需要多次读取和拼接数据，进而影响性能‌1。

示例1

struct data {
     char a;    //1字节对齐， 实际占用4字节，由于后面的c变量
     int c ;    //4字节对齐， 因此a后面要填补3字节数据，相当于a占用了4字节
     short b ;  //2字节对齐，但是后面要补2字节，因为3个成员变量占了4+4+2=10,
                //成员中最大的变量长度是4字节对齐，因此整个数据结构要是4个整数倍
                //因此后面要补2字节。
};

sizeof(struct data) = 12

示例2

struct data{
     char a;   //1字节对齐，由于后面的short是2字节对齐，因此后面补了1字节
     short b ; //2字节对齐
     int c ;   //4字节对齐
};

sizeof(struct data) = 8

从上面的示例可知，结构体中的变量排列会影响实际的空间大小，因此在定义结构体时，尽量的从小变量到大变量排列，这样节省内存。

aligned与packed

GNU C通过 atttribute 来声明 aligned 和 packed 属性，指定一个变量或类型的对齐方式。这两个属性用来告诉编译器：在给变量分配存储空间时，要按指定的地址对齐方式给变量分配地址。

aligned

如果你想定义一个变量，在内存中以8字节地址对齐，就可以这样定义。

int a __attribute__((aligned(8));

通过 aligned 属性，我们可以直接显式指定变量 a 在内存中的地址对齐方式。aligned 有一个参数，表示要按几字节对齐，使用时要注意地址对齐的字节数必须是2的幂次方，否则编译就会出错。

struct data{
     char a;   //4
     short b __attribute__((aligned(4)));  //4
     int c ;  //4
};

sizeof(struct data) = 12

上述的示例表示struct data成员变量中的short b要按4字节强行对齐。

struct data{
     char a; //4
     short b; //4
     int c ; //8
 }__attribute__((aligned(16)));

sizeof(struct data) = 16

可以显示指定了整个结构体的对齐方式，如上示例显式指定结构体整体以16字节对齐，所以编译器就会在这个结构体的末尾填充8个字节以满足16字节对齐的要求，导致结构体的总长度变为16字节。

packed

aligned属性一般用来增大变量的地址对齐，元素之间因为地址对齐会造成一定的内存空洞。而 packed属性则与之相反，用来减少地址对齐，用来指定变量或类型使用最可能小的地址对齐方式。

struct data{
     char a;  //1
     short b __attribute__((packed)); //2
     int c __attribute__((packed)); //4
 };

sizeof(strut data) =7

使用了packed属性，告诉编译器使用最小的对齐方式。

aligned与packed一起使用

struct data{
     char a; //1
     short b ; //2
     int c ; //5
}__attribute__((packed,aligned(8)));

sizeof(struct data) = 8

aligned 和 packed 一起使用，即对一个变量或类型同时使用 aligned 和 packed 属性声明。这样做的好处是，既避免了结构体内因地址对齐产生的内存空洞，又指定了整个结构体的对齐方式。