对于C/C++程序员来说，掌握数据对齐是很有必要的，因为只有了解了这个概念，才能知道编译器在什么时候会偷偷的塞入一些字节（padding）到我们的结构体（struct/class），也唯有这样我们才能更好的理解、优化结构体和内存。
几个栗子
看看几个简单的Struct，能猜出他们的SIZE吗？（运行于64Bit win10 vs2017）
struct A
{
char c1;
};
struct B
{
int i1;
};
struct C
{
char c1;
int i1;
};
struct D
{
char c1;
int i1;
char c2;
};
struct E
{
char c1;
char c2;
int i1;
};
int main()
{
std::cout << "A's size is " << sizeof(A) << std::endl;
std::cout << "B's size is " << sizeof(B) << std::endl;
std::cout << "C's size is " << sizeof(C) << std::endl;
std::cout << "D's size is " << sizeof(D) << std::endl;
std::cout << "E's size is " << sizeof(E) << std::endl;
}
先揭晓答案
如果对任何一个结构体的大小有疑问，那么这篇文章非常适合你，请接着往下看，我们会解释数据对齐。
数据对齐
处理器读取数据的行为
在C/C++中，每种数据类型都有对齐的要求（这个更多是处理器的要求而非语言层面），大家都知道，处理器工作的时候需要数据总线（data bus）、控制总线（control bus）和地址总线（address bus）一起配合工作。而在数据总线取数据的时候，处理器为了高效的工作，一次会取4byte或者8byte数据（依系统32bit或者64bit而不同），这就是所谓数据字长（word size）。同时在读取内存的时候，也会从4byte或者8byte边界开始读取，这是处理器行为，我们只能尊重不能改变。考虑下面的例子，
struct F
{
int i1
char c1;
int i2;
char c2;
};
#include <iostream>
int main()
{
F f;
printf("0x%p\n", &f);
}
它的起始地址输出是：
0x000000FE8BCFFB88
所以在内存中可能的排列就是：
读取数据的时候，每次读入8btye，8个字节为一个读取单元，就像蒸笼的一格，这样做的好处是每次可以尽可能多的读入数据，减少读取次数。设想，如果一次只读入一个字节数据，那么一个Int就需要4次读取，明显效率就很低。
编译器的做法
如果没有对齐
了解了处理器如何读取数据的，我们就不难理解编译器为什么会做出调整。试想，如果编译器不在后台做出填充（padding），那么我们就会遇到这种情况
像这样的话，访问i1, c1 都不会有问题，但是访问i2就会发现，数据散落在不同的蒸笼，原本只需要一次读取就行的数据，还需要一次额外的数据读取才行，这就造成了读取数据的低效，在某些严格的CPU，比如ARM上面，这种非对齐的数据读操作甚至会被拒绝。
编译器对齐
所以，为了让数据读取效率最大化，编译器会选择牺牲一部分空间来换取效率，他们不会允许i2横跨两个读取单元。在实际中，上面的结构体会是这样的
可以看出，
- 为了解决i2的对齐问题，c1之后填充了3个空字节
- 同时为了保持整个结构体的对齐（结构体对齐字节数等于其最大的数据成员的对齐字节数，这里是4），在结构体的尾部还会有3个空字节
- 整个结构体的大小就是16字节，有6个字节是空字节。
所以，在编译器的作用下，最开始几个Struct实际上扩展为，
struct A
{
char c1; //no padding
};
struct B
{
int i1; //no padding
};
struct C
{
char c1;
char pad[3]; //padding
int i1;
};
struct D
{
char c1;
char pad1[3]; //padding
int i1;
char c2;
char pad2[3]; //padding
};
struct E
{
char c1;
char c2;
char pad[2]; //padding
int i1;
};
对齐的目的是要让数据访问更高效，一般来说，数据类型的对齐要求和它的长度是一致的，比如，
- char 是 1
- short 是 2
- int 是 4
- double 是 8
这不是巧合，比如short，2对齐保证了short只可能出现在一个读取单元的0, 2, 4, 6格，而不会出现在1, 3, 5, 7格；再比如int，4对齐保证了一个读取单元可以装载2个int——在0或者4格。从根本上杜绝了同一个数据横跨读取单元的问题。
总结
可能有人会疑惑了，知道这些对我们工作有什么帮助吗？如果仅仅是比较High-Level的应用程序编程，可能确实感觉不明显，最多就当成一个知识点了解一下，但是对于搞比较底层开发的，比如游戏引擎，或者是在内存环境很紧张的情况下开发，比如嵌入式开发，那了解这个有助于在某些情况下节约内存。
考虑前面的D和E结构体，他们拥有完全一样的成员，却有着不同的结构体大小，就是因为E选择把对齐要求接近的变量类型放在一起，减小了填充padding的数量从而达到了减小结构体大小的目的。
在设计结构体的时候，这个可以作为一个考量，有一些函数可以帮助我们查看某个类型的对齐要求，比如Visual Studio中的__alignof函数。
这就是关于数据对齐的一些基础知识，希望能帮助大家解惑，如果您发现本文有任何写的不对的地方，欢迎留言指出来；如果有其他问题，也欢迎留言一起讨论。
