数据结构对齐

数据结构对齐是程式编译后資料在記憶體內的佈局与使用方式。包括三方面内容：数据对齐、数据结构填充（padding）与包入（packing）。

现代计算机CPU一般是以32位元或64位元大小作地址对齐，以32位元架構的計算機舉例,每次以連續的4位元組為一個區間,第一個位元組的位址位在每次CPU抓取資料大小的邊界上,除此之外,如果要访问的变量没有对齐，可能会触发总线错误。

当資料小于计算机的字（word）尺寸，可能把几个資料放在一个字中，称为包入（packing）。

许多编程语言自动处理数据结构对齐。Ada语言， PL/I, Pascal, 某些C语言与C++实现, D语言, Rust, 与汇编语言允许特别控制对齐的方式。

定义
内存地址a被称为n字节对齐，a是n的倍数（n应是2的幂），也可以理解為當被访问的数据长度为n 字节時，数据地址为n字节对齐。如果内存未对齐，称作misaligned。

内存指针是对齐的，如果它所指的数据是对齐的。指向聚合数据（aggregate data，如struct或数组）是对齐的，当且仅当它的每个组成数据是对齐的。

体系结构

RISC
大多数RISC处理器在加载或存储指令访问错位的地址时，会产生一个对齐错误。这允许操作系统使用其他指令来模拟错位的访问。例如，对齐错误处理程序可以使用字节加载或存储（其总是对齐的）来模拟更大的加载或存储指令。

一些架构，如MIPS架构有特殊的无对齐加载和存储指令。一条无对齐的加载指令从具有最低字节地址的内存字中获取字节，另一条指令从具有最高字节地址的内存字中获取字节。同样的，store-high和store-low指令分别在较高和较低的内存字中存储相应的字节。

DEC Alpha架构对不对齐的加载和存储采用了两步法。第一步是将上层和下层的内存字加载到独立的寄存器中。第二步是使用类似于MIPS指令的特殊低/高指令来提取或修改内存字。通过将修改后的内存字存储到内存中，就完成了一个无对齐存储。造成这种复杂性的原因是，最初的Alpha架构只能读取或写入32位或64位的值。这被证明是一个严重的限制，经常导致代码臃肿和性能不佳。为了解决这个限制，在最初的架构中加入了一个名为 "字节字扩展"（BXW）的扩展。它包括字节和字的加载和存储指令。

因为这些指令比正常的内存加载和存储指令更大、更慢，所以只有在必要时才可以使用它们。一些C和C++编译器有一个 "无对齐 "属性，可以应用于需要无对齐指令的指针。

x86
x86体系架构最初是不要求内存对齐。一些SSE2指令要求数据是128比特(16字节)对齐。有些CPU指令用于未对齐访问如MOVDQU。读写内存操作仅在对齐时才是原子的。

C语言struct在x86上的对齐
C语言数据结构内的成员按照先后顺序在内存中存储。

默认对齐 
结构体中每个成员的类型通常有一个默认的对齐方式，也就是说，除非程序员另有要求，否则它将在一个预先确定的边界上对齐。以下典型的对齐方式对微软（Visual C++）、Borland/（C++Builder）、（DMC）和GNU（GCC）的编译器在为32位x86编译时有效。

一个char（一个字节）变量将被1字节对齐。

一个short（两个字节）变量将是2字节对齐的。

一个int（四个字节）变量将是4字节对齐的。

一个long（四个字节）变量将被4字节对齐。

一个float（四个字节）变量将是4字节对齐的。

一个double（8个字节）变量在Windows上是8字节对齐的，在Linux上是4字节对齐的（用-malign-double编译时选项是8字节）。

一个long long（8个字节）变量将被4字节对齐。

一个long double（C++Builder和DMC为10个字节，Visual C++为8个字节，GCC为12个字节）变量在C++Builder上将是8字节对齐，DMC为2字节对齐，Visual C++为8字节对齐，GCC为4字节对齐。

任何指针（四个字节）都将是4字节对齐的。(例如：char*, int*)

与32位系统相比，LP64 64位系统在对齐方面唯一值得注意的区别是。

一个long（八个字节）变量将是8字节对齐的。

一个double（8个字节）变量将是8字节对齐的。

一个long long（8个字节）变量将是8字节对齐的。

一个long double（在Visual C++中是8个字节，在GCC中是16个字节）变量在Visual C++中是8字节对齐的，在GCC中是16字节对齐的。

任何指针（八个字节）变量都将是8字节对齐的。

有些数据类型取决于实现方式。

指定对齐 
一些编译器（Microsoft, Borland, GNU,等等）使用 directive指定对齐的包入（packing）。例如：

#pragma pack(push)  /* push current alignment to stack */
#pragma pack(1)     /* set alignment to 1 byte boundary */

struct MyPackedData
{
    char Data1;
    long Data2;
    char Data3;
};

#pragma pack(pop)   /* restore original alignment from stack */

这个结构在32位系统的大小为6字节。

缺省packing与
Microsoft编译器的项目缺省packing(编译选项/Zp)与指令。指令仅能减少packing尺寸。

参见
数组步长
类型双关
offsetof

参考文献

外部链接
IBM developerWorks article on data alignment 
Article on data alignment and performance 
MSDN article on data alignment
Article on data alignment and data portability 
Byte Alignment and Ordering 
Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual 
Data Alignment when Migrating to 64-Bit Intel® Architecture 
PowerPC Microprocessor Family: The Programming Environments for 32-Bit Microprocessors
 
编译原理