記憶體對齊之深度探索

（廢話：最近接觸到記憶體對齊概念，針對記憶體對齊的規則，我在vc中一一進行了驗證，發現編譯器確實對我的資料進行了記憶體對齊。我便知道記憶體對齊必定是有它的優點所在，是什麼呢？我找的資料都是說記憶體對齊可以提高記憶體訪問效率、可移植到不同的平台等等，但是為什麼會這樣呢，沒有一個清晰的解釋。下面便是我多天努力的成果！）

編譯器為什麼要替我們記憶體對齊？學了電腦群組成原理，瞭解了記憶體的基本單元是一個位元組，記憶體可以隨機定址，於是乎我天真的認為記憶體就是一個位元組型的容器，基本單位是單個位元組。 Figure 1. 我眼中的記憶體空間布局悲劇的是，記憶體讀寫的真正訪問者cpu不是這麼想的。cpu是根據記憶體訪問粒度（memory access granularity，下文簡寫成MAG）來讀取記憶體，MAG就是cpu一次記憶體訪問操作的資料量，具體數值依賴於特定的平台，一般是2byte、4byte、8byte。 Figure 2. cpu眼中的記憶體空間布局因此，程式員和cpu看待記憶體空間布局是存在差異的。唉，既不能過多的苛刻程式員，又要讓cpu舒服，怎麼辦呢？只好讓編譯器來對我們的代碼進行隱式的記憶體對齊（當然它能做的只是幫程式中的資料進行記憶體對齊，至於直接用指標去訪問記憶體，它是不會管的）。 向開發編譯器的大大們致敬！記憶體對齊的好處下面用一個小執行個體來剖析記憶體對齊的好處：很簡單，在32位的機器下，分別訪問一個記憶體對齊的地址空間（從地址0開始）和一個沒有對齊的地址空間（從地址1開始），讀取四個位元組到cpu的寄存器中，比較兩者的讀取過程。 Case1：記憶體訪問粒度為1個位元組（cpu眼中的記憶體模型等價於程式員眼中的記憶體模型）： Figure 3. MAG=1Result：讀取4個位元組，兩者都需要進行4次記憶體訪問操作。打平，在MAG=1的情況下不需要考慮記憶體對齊。 Case2：記憶體訪問粒度為2個位元組： Figure 4. MAG=2Result：讀取4個位元組，左邊的（記憶體對齊地址）只需要進行2次記憶體訪問操作，右邊的需要進行3次記憶體訪問操作+附加操作（見下文）。記憶體對齊地址取勝！ Case3：記憶體訪問粒度為4個位元組：
Figure 5. MAG=4

Result：讀取4個位元組，左邊的只需要進行1次記憶體訪問操作，右邊的需要進行2次記憶體訪問操作+附加操作。記憶體對齊地址再次取勝！ Conclusion：記憶體對齊地址vs沒有記憶體對齊的地址，在三種不同的記憶體訪問粒度下，取得了2勝一平的完勝戰績。對於32位的機器，實際的記憶體訪問粒度是4個位元組，原因如下：

• 每一次記憶體訪問操作需要一個常量開銷；
• 在資料量一定的情況下，減少記憶體訪問操作，能提高程式運行效能；
• 增大記憶體訪問粒度（當然不超過資料匯流排的頻寬），能減少記憶體訪問操作（從上面的執行個體就能夠看出來）；

一句話，記憶體對齊確實可以提高程式效能。cpu如何處理沒有記憶體對齊的資料訪問？繼續分析上面那個執行個體，在記憶體訪問粒度為2、從地址1開始讀取四個位元組的cpu處理過程（硬體方式）：

1. 讀取資料所在的第一塊記憶體空間（0-1），移除多餘位元組（0）；
2. 讀取資料所在的第二塊記憶體空間（2-3）；
3. 讀取資料所在的第三塊記憶體空間（4-5），移除多餘位元組（5）；
4. 把三塊資料拼接起來（1-4），放入寄存器中。

訪問一塊相同大小的資料，記憶體對齊的優勢是多麼的巨大！如果cpu能這麼來處理，也只不過是影響了我們程式的運行效能，至少還是能啟動並執行！悲劇的是，以前的cpu並沒有這麼“勤快”，遇到沒有記憶體對齊的資料訪問，它會直接拋出一個異常：作業系統可能會響應這個異常，用軟體的方式來處理，效能只會更差；或者程式直接崩潰掉。 一句話，記憶體對齊的代碼確實具有更高的可移植性！Over！更多內容，參照此文：https://www.ibm.com/developerworks/library/pa-dalign/記憶體對齊的具體規則，參照此篇部落格：http://blog.csdn.net/liu1064782986/article/details/7600979