C++對齊問題

什麼是對齊，以及為什麼要對齊：
現代電腦中記憶體空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變數的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定變數的時候經常 在特定的記憶體位址訪問，這就需要各類型資料按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
對齊的作用和原因：各個硬體平台對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定類型的資料只能從某些特定地址開始存取。其他平台可能沒有這 種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平台要求對資料存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平台每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型 （假設為32位系統）如果存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀周期就可以讀出，而如果存放在奇地址開始的地方，就可能會需要2個讀周期，並對兩次讀出的結 果的高低位元組進行拼湊才能得到該int資料。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。
對齊的實現
通常，我們寫程式的時候，不需要考慮對齊問題。編譯器會替我們選擇時候目標平台的對齊策略。當然，我們也可以通知給編譯器傳遞先行編譯指令而改變對 指定資料的對齊方法。
但是，正因為我們一般不需要關心這個問題，所以因為編輯器對資料存放做了對齊，而我們不瞭解的話，常常會對一些問題感到迷惑。最常見的就是 struct資料結構的sizeof結果，出乎意料。為此，我們需要對對齊演算法所瞭解。
對齊的演算法：
由於各個平台和編譯器的不同，現以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器（32位x86平台）為例子，來討論編譯器對struct資料結構中的各成員如何進行對齊的。
設結構體如下定義：
struct A
{
int a;
char b;
short c;
};
結構體A中包含了4位元組長度的int一個，1位元組長度的char一個和2位元組長度的short型資料一個。所以A用到的空間應該是7位元組。但是因 為編譯器要對資料成員在空間上進行對齊。所以使用sizeof(strcut A)值為8。
現在把該結構體調整成員變數的順序。
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
這時候同樣是總共7個位元組的變數，但是sizeof(struct B)的值卻是12。
下面我們使用先行編譯指令#progma pack (value)來告訴編譯器，使用我們指定的對齊值來取代預設的。
#progma pack (2) /*指定按2位元組對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對齊值為1：
#progma pack (1) /*指定按1位元組對齊*/
struct D
{
char b;
int a;
short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/
sizeof(struct D)值為7。
對於char型資料，其自身對齊值為1，對於short型為2，對於int,float,double類型，其自身對齊值為4，單位位元組。
計算規則：
先考慮補齊（用N來計算補齊），再放一個變數N，再考慮補齊（用M來計算補齊），繼續考慮下一個變數M。當所有的變數都放完後，再考慮結構對齊。
這裡面有四個概念值：
1.資料類型自身的對齊值：就是上面交代的基礎資料型別 (Elementary Data Type)的自身對齊值。
2.指定對齊值：#progma pack (value)時的指定對齊值value。
3.結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。
4.資料成員、結構體和類的有效對齊值：：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有了這些值，我們就可以很方便的來討論具體資料結構的成員和其自身的對齊。有效對齊值N是最終用來決定資料存放地址方式的值，最重要。有效對 齊N，就是表示“對齊在N上”，也就是說該資料的"存放起始地址%N=0".而資料結構中的資料變數都是按定義的先後順序來排放的。第一個資料變數的起始 地址就是資料結構的起始地址。結構體的成員變數要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變數佔用總長度需要是對結構體有效對 齊值的整數倍，結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
假設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值預設為4。第一個成員變數b的自身對齊值是1，比指定或 者預設指定對齊值4小，所以其有效對齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變數a，其自身對齊值為4，所以有效對齊 值也為4，所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續的位元組空間中，複核0x0004%4=0, 且緊靠第一個變數。第三個變數c,自身對齊值為2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個位元組空間中，符合 0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內容。再看資料結構B的自身對齊值為其變數中最大對齊值(這裡是b）所以就是4，所 以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求，0x0009到0x0000=10位元組，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也 為結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B共有12個位元組,sizeof(struct B)=12;
同理,分析上面例子C：
#progma pack (2) /*指定按2位元組對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/
第一個變數b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，所以，其有效對齊值為1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合 0x0000%1=0;第二個變數，自身對齊值為4，指定對齊值為2，所以有效對齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、 0x0005四個連續位元組中，符合0x0002%2=0。第三個變數c的自身對齊值為2，所以有效對齊值為2，順序存放在0x0006、0x0007中， 符合0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八位元組存放的是C的變數。又C的自身對齊值為4，所以C的有效對齊值為2。又 8%2=0,C只佔用0x0000到0x0007的八個位元組。所以sizeof(struct C)=8.
當結構體中嵌套結構體，把每個結構體都看成另一個結構進行理解。如
#pragma pack(4)
Struct A
{
double m_d;
char m_a;
}
Struct B
{
A a;
char m_b;
}
因為在計算結構體B的對齊時，算裡面元素a和m_b的最大對齊值，而a的對齊是由m_d和m_a中的最大的值決定。在計算結構體B的大小 時，Sizeof(A)=12;結構體B的自身對齊值為8，和設定的pack(4)取最小值就是４了，所以Sizeof(B)=16.如果在不同的標頭檔 中，根據不同的對齊，則計算單個結構體的大小時有所不同。如上例子中，Struct A在一個pack(8)的標頭檔中，而Struct B在一個Pack(4)的標頭檔中，此時Sizof(A)=16;而Sizeof(B)=20.