C語言記憶體對齊

1. 概念
   • 在C語言中，記憶體對齊（Memory Alignment）是一種編譯器為了提高記憶體訪問效率而採用的一種資料儲存策略。它要求資料在記憶體中的儲存地址是某個特定值（通常是資料型別大小或其倍數）的整數倍。
2. 為什麼要進行記憶體對齊
   • 提高記憶體訪問速度
     • 現代計算機的記憶體系統是以位元組為單位進行組織的，而CPU在讀取記憶體時，通常是按照字長（如32位CPU一次讀取4個位元組，64位CPU一次讀取8個位元組）進行的。如果資料按照記憶體對齊規則儲存，CPU可以在一次記憶體訪問操作中獲取完整的資料，無需進行額外的拼接或拆分操作，從而提高了記憶體訪問的速度。
   • 硬體設計的要求
     • 許多硬體裝置在進行資料傳輸或操作時，也要求資料按照特定的對齊方式進行儲存。例如，某些網路介面卡或磁碟控制器在讀取資料時，如果資料未按照要求對齊，可能會導致硬體無法正常工作或效能下降。
3. 記憶體對齊規則
   • 對於基本資料型別，其起始地址通常是其型別大小的整數倍。例如：
     • char型別（通常為1位元組）可以從任何地址開始儲存，因為任何地址都是1的整數倍。
     • short型別（通常為2位元組）的儲存地址應該是2的整數倍。
     • int型別（通常為4位元組）的儲存地址應該是4的整數倍。
     • double型別（通常為8位元組）的儲存地址應該是8的整數倍。
   • 對於結構體，結構體成員的儲存順序按照定義的順序進行，並且每個成員的起始地址要滿足其自身型別的記憶體對齊要求。同時，結構體的大小為其最大成員大小的整數倍（考慮記憶體對齊）。例如：

     struct S {
         char c;
         int i;
     };
     

     在這個結構體中，char c可以從任何地址開始，假設從地址0開始。由於int型別要求地址是4的整數倍，所以i的起始地址應該是4的整數倍，編譯器會在c後面填充3個位元組，使得i從地址4開始儲存。這個結構體的大小為8位元組（1位元組的c + 3位元組的填充 + 4位元組的i）。
4. 編譯器對記憶體對齊的處理
   • 編譯器會自動按照記憶體對齊規則來安排資料在記憶體中的儲存位置。在大多數情況下，編譯器提供了一些選項來控制記憶體對齊的方式。例如，在GCC編譯器中，可以使用-fpack - struct選項來指定結構體不進行記憶體對齊（即緊湊儲存），但這樣可能會影響程式的效能。
5. 程式設計中的影響和注意事項
   • 結構體的設計
     • 在設計結構體時，要考慮記憶體對齊對結構體大小的影響。如果結構體中包含多種不同型別的成員，合理安排成員的順序可以減少結構體的大小，從而節省記憶體空間。例如，將小尺寸的成員放在前面，大尺寸的成員放在後面。
     • 同時，如果需要與其他程式碼或系統進行資料互動（如透過網路傳輸結構體資料或者與硬體裝置進行資料互動），要確保結構體的記憶體對齊方式與對方一致，否則可能會導致資料解析錯誤。
   • 資料型別轉換
     • 在進行資料型別轉換時，特別是涉及到指標型別轉換和不同型別資料在記憶體中的佈局時，要考慮記憶體對齊的影響。例如，將一個未按照正確對齊方式儲存的資料轉換為需要嚴格對齊的型別時，可能會導致程式出現執行時錯誤。
   • 動態記憶體分配
     • 在使用malloc等函式進行動態記憶體分配時，分配的記憶體空間是連續的位元組塊，但也要考慮記憶體對齊的要求。例如，如果要儲存一個結構體陣列，需要確保分配的記憶體空間滿足結構體的記憶體對齊要求，否則可能會導致結構體成員的儲存錯誤。