1. 字节对齐

字节对齐是字节按照一定规则在空间上排列。

现代计算机中内存空间的基础单元是字节(byte)，从理论层面上讲，对于任何数据类型的变量的访问，都可以从任何地址开始。但是物理层面实现时，访问特定类型变量的时候经常需要在特定的内存地址访问，一般时以2，4或8的倍数的字节块来读写内存。

为什么要进行字节对齐？

一句话来说：以牺牲空间的方式来减少时间的消耗。

实际编程中，字节对齐的细节都是由编译器完成，但是需要知道变量是如何在内存中进行对齐的。

2. C/C++ 结构体

在C语言中，结构体可以用来存放一组不同类型的数据，结构体的定义形式为：

struct 结构体名
{
	结构变量...
};

结构体变量定义：

struct 结构体名 变量名;

也可以在定义结构体的同时定义结构体变量：

struct Student
{
	char name[24];
	int student_id;
}stu1, stu2; // 定义结构体变量stu1, stu2

当只需要stu1, stu2两个变量，后面不再需要使用结构体名定义其他变量，可以在定义时不给出结构体名

struct 
{
	char name[24];
	int student_id;
}stu1, stu2; // 定义结构体变量stu1, stu2

C++中的结构体定义形式与C语言一样，只是在定义结构体变量时，不需要使用struct关键字

Student stu1, stu2;

typedef struct的区别

在C语言中使用typedef定义结构名，在定义结构体变量时可以省去struct关键字

typedef struct Student
{
	char name[24];
	int student_id;
} pStudent;// 别名

// 定义结构体对象
pStudent stu1; // 省去了struct

使用typedef struct之后，C/C++定义结构体对象代码相同。

3. 结构体对齐的公式

1. 以#pragma pack(x)中x和结构体中占用空间最大的成员做比较，取两者的最小值为n
2. 以n值与结构体每个成员比较，得出结果列表为m[x]
3. 根据每个成员的大小依次向内存中填充数据，要求填充成员的起始地址减去结构体起始地址的差值可以整除m[x]，如不能整除则向后移动，直到可以整除再填充成员到内存中
4. 当全部成员填充完毕后所占用的字节数若不能整除n，则扩充内存至可以整除n为止

#pragma pack(4)// 编译器将按照n个字节对齐
struct data
{
    int a;  // 4 bytes
    char b; // 4 bytes
    int c;  // 4 bytes
    short d;    // 4bytes
};  // 16 bytes
#pragma pack() // 编译器将取消自定义字节对齐方式

struct data
{
    int a;  // 4 bytes
    char b; // 2 bytes
    short d;    // 2bytes
    int c;  // 4 bytes
    
};  // 12 bytes

合理调整成员的位置，可以大大节省存储空间。但是需要在空间和可读性之间进行权衡。

4. 跨平台传输

由于不同平台对齐方式可能不同，可能导致同样的结构在不同的平台其大小可能不同，导致发送的数据可能出现错乱，引起严重问题。

为了不同处理器之间能够正确处理结构体，有两种可选的处理方法：

• 1字节对齐
• 自己对结构 进行字节填充

可以使用伪指令#pragma pack(n) 来使得结构之间按照一字节对齐

#pragma pack(1)
typedef struct
{
    int a;
    char b;
    short d;
    int c;
} DATA;
#pragma pack()

int main()
{
    DATA data1 = {4, 'c', 2, 6};
    DATA data2 = {};
    memcpy(&data2, &data1, sizeof(DATA));
    
    cout << "sizeof(DATA) > : " << sizeof(DATA) << endl;
    cout << "data: " << data2.a << " " << data2.b << " " << data2.c << " " << data2.d << endl;
    return 0;
}
// sizeof(DATA) > : 11
// data: 4 c 6 2

对于单个结构体，如下的方法，可使其按一字节对齐

typedef struct
{
    int a;
    char b;
    short d;
    int c;
} __attribute__ ((packed)) DATA;

__attribute__ ((packed))：取消结构在编译过程中的优化对齐，即可以认为是一字节对齐

人为填充方式

typedef struct
{
    int a;
    char b;
    char reserve[3];   // 填充
    int c;
    short d;
    char reserve1[2];  // 填充
} DATA;

参考链接

• 字节对齐，看这篇就懂了
• BMP图像读取
• 结构体成员在内存中的对齐方式

JAVA字节对齐

一般而言，Java对象不需要考虑字节对齐，JVM编译时会自动优化。但C/C++/C#等需要考虑对象次序，避免空间浪费。（注：本文中使用的jdk版本是1.8为基础的 。）

对象结构

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储布局分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding）

对象头

• Mark Word：包含一系列的标记位，比如轻量级锁的标记位，偏向锁标记位等等。在32位系统占4字节，在64位系统中占8字节；
• Class Pointer(类型指针)：用来指向对象对应的Class对象（其对应的元数据对象）的内存地址。在32位系统占4字节，在64位系统中占8字节；
• Length：如果是数组对象，还有一个保存数组长度的空间，占4个字节；

实例数据

八种基础数据类型及相关引用类型

• byte、boolean是1个字节
• short、char是2个字节
• int、float是4个字节
• long、double是8个字节
• reference是4个字节

对齐方式

64位HotSpot VM每次读取数据的最小单位是8字节，因此对象大小必须保持8字节的整数倍，不足则填充。

关于编码（对比C/C++）

在C/C++中，结构体中不合理属性顺序，会增加对象所需的存储空间。

测试代码

struct Person1 {
    char _char;
    int _int;
    short _short;
};

struct Person2 {
    char _char;
    short _short;
    int _int;
};



int main() {
    printf("_person1 sizeof: %d \n", sizeof(Person1));
    printf("_person2 sizeof: %d \n", sizeof(Person2));
}

结果

_person1 sizeof: 12 
_person2 sizeof: 8 

因此，在C/C++编码过程中，合理安排结构体属性的次序是很有必要的。幸运的是JVM会自动调整属性的次序。保证对象所需的存储空间最小。
测试代码

public class Person {
    public byte _1_byte;
    public int _1_int;
    public boolean _boolean;
    public int _2_int;
    public short _short;
    public double _double;
    public char _char;
    public long _long;
    public byte _2_byte;
    // 引用类型
    public Person2 person2;
}

public class Person2 {
    public byte _byte;
    public boolean _boolean;
    public char _char;
    public short _short;
    public int _int;
    public long _long;
    public float _float;
    public double _double;
}

 public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        String s = ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable();
        System.out.println(s);
    }

结果

OFF  SZ                               TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8                                    (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4                                    (object header: class)    0xf800c392
 12   4                                int Person._1_int             0
 16   8                             double Person._double            0.0
 24   8                               long Person._long              0
 32   4                                int Person._2_int             0
 36   2                              short Person._short             0
 38   2                               char Person._char               
 40   1                               byte Person._1_byte            0
 41   1                            boolean Person._boolean           false
 42   1                               byte Person._2_byte            0
 43   1                                    (alignment/padding gap)   
 44   4   com.yejing.exercise.bean.Person2 Person.person2            null
Instance size: 48 bytes
Space losses: 1 bytes internal + 0 bytes external = 1 bytes total

可以看出 “_1_byte” 属性的次序被自动调整到靠下的地方，使得小对象相邻，减少空白填充。
另外，经过多组测试，发现JVM在字节对齐的过程中相同大小的对象会按之前的属性次序存储。如 long, double; int,float; byte,boolean。

其他

• 测试代码
  github.com/DW-yejing/object-alignment
• 参考

https://www.163.com/dy/article/G7BGCH720517O4DT.html

一、什么是字节对齐,为什么要对齐?

现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

二、请看下面的结构：

struct MyStruct{
  double dda1;
  char dda;
  int type
};

对结构MyStruct采用sizeof会出现什么结果呢？sizeof(MyStruct)为多少呢？也许你会这样求：
sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13
但是当在VC中测试上面结构的大小时，你会发现sizeof(MyStruct)为16。你知道为什么在VC中会得出这样一个结果吗？
其实，这是VC对变量存储的一个特殊处理。为了提高CPU的存储速度，VC对一些变量的起始地址做了“对齐”处理。在默认情况下，VC规定各成员变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量必须为该变量的类型所占用的字节数的倍数。下面列出常用类型的对齐方式(vc6.0,32位系统)。

类型对齐方式（变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量）
Char 偏移量必须为sizeof(char)即1的倍数
int 偏移量必须为sizeof(int)即4的倍数
float 偏移量必须为sizeof(float)即4的倍数
double 偏移量必须为sizeof(double)即8的倍数
Short 偏移量必须为sizeof(short)即2的倍数

各成员变量在存放的时候根据在结构中出现的顺序依次申请空间，同时按照上面的对齐方式调整位置，空缺的字节VC会自动填充。同时VC为了确保结构的大小为结构的字节边界数（即该结构中占用最大空间的类型所占用的字节数）的倍数，所以在为最后一个成员变量申请空间后，还会根据需要自动填充空缺的字节。

下面用前面的例子来说明VC到底怎么样来存放结构的。

struct MyStruct{
  double dda1;
  char dda;
  int type
}；

为上面的结构分配空间的时候，VC根据成员变量出现的顺序和对齐方式，先为第一个成员dda1分配空间，其起始地址跟结构的起始地址相同（刚好偏移量0刚好为sizeof(double)的倍数），该成员变量占用sizeof(double)=8个字节；接下来为第二个成员dda分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为8，是sizeof(char)的倍数，所以把dda存放在偏移量为8的地方满足对齐方式，该成员变量占用sizeof(char)=1个字节；接下来为第三个成员type分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为9，不是sizeof(int)=4的倍数，为了满足对齐方式对偏移量的约束问题，VC自动填充3个字节（这三个字节没有放什么东西），这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为12，刚好是sizeof(int)=4的倍数，所以把type存放在偏移量为12的地方，该成员变量占用sizeof(int)=4个字节；这时整个结构的成员变量已经都分配了空间，总的占用的空间大小为：8+1+3+4=16，刚好为结构的字节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8）的倍数，所以没有空缺的字节需要填充。所以整个结构的大小为：sizeof(MyStruct)=8+1+ 3+4=16，其中有3个字节是VC自动填充的，没有放任何有意义的东西。

下面再举个例子，交换一下上面的MyStruct的成员变量的位置，使它变成下面的情况：

struct MyStruct{
  char dda;
  double dda1;
  int type
}；

这个结构占用的空间为多大呢？在VC6.0环境下，可以得到sizeof(MyStruc)为24。结合上面提到的分配空间的一些原则，分析下VC怎么样为上面的结构分配空间的。（简单说明）：

struct MyStruct
{
  char dda; //偏移量为0，满足对齐方式，dda占用1个字节；
  double dda1;//下一个可用的地址的偏移量为1，不是sizeof(double)=8的倍数，需要补足7个字节才能使偏移量变为8（满足对齐方式），因此VC自动填充7个字节，dda1存放在偏移量为8的地址上，它占用8个字节。
  int type； //下一个可用的地址的偏移量为16，是sizeof(int)=4的倍数，满足int的对齐方式，所以不需要VC自动填充，type存放在偏移量为16的地址上，它占用4个字节。
}；
//所有成员变量都分配了空间，空间总的大小为1+7+8+4=20，不是结构的节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8）的倍数，所以需要填充4个字节，以满足结构的大小为sizeof(double)=8的倍数。所以该结构总的大小为：sizeof(MyStruc)为1+7+8+4+4=24。其中总的有7+4=11个字节是VC自动填充的，没有放任何有意义的东西。

VC对结构的存储的特殊处理确实提高CPU存储变量的速度，但是有时候也带来了一些麻烦，我们也屏蔽掉变量默认的对齐方式，自己可以设定变量的对齐方式。

VC 中提供了#pragma pack(n)来设定变量以n字节对齐方式。n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数，否则必须为n的倍数。下面举例说明其用法。

#pragma
pack(push) //保存对齐状态
#pragma
pack(4)//设定为4字节对齐
struct test
{
char m1;
double m4;
int m3;
};
#pragma
pack(pop)//恢复对齐状态

以上结构的大小为16，下面分析其存储情况，首先为m1分配空间，其偏移量为0，满足我们自己设定的对齐方式（4字节对齐），m1占用1个字节。接着开始为m4分配空间，这时其偏移量为1，需要补足3个字节，这样使偏移量满足为n=4的倍数（因为sizeof(double)大于n）,m4占用8个字节。接着为m3分配空间，这时其偏移量为12，满足为4的倍数，m3占用4个字节。这时已经为所有成员变量分配了空间，共分配了16个字节，满足为n的倍数。如果把上面的#pragma pack(4)改为#pragma pack(16)，那么我们可以得到结构的大小为24。（请读者自己分析）

三、再看下面这个例子

#pragma pack(8)
struct S1{
char a;
float b;
};
struct S2 {
char c;
struct S1 d;
double e;
};
#pragma pack()
sizeof(S2)结果为24.

成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐.
也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.

S1中,成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;

S2 中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24个字节.

a b
S1的内存布局：1***,1111,
c S1.a S1.b d
S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111

**这里有三点很重要:
1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度。
2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度。
3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐。**

Win32平台下的微软编译器(cl.exe for 80×86)的对齐策略：

1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除

备注：编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存地址能被该基本数据类型所整除的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为上面介绍的对齐模数。

2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）

备注:为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体首地址的偏移是否是本成员的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节，以达到整数倍的要求，也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。

3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要，编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）

备注：结构体总大小是包括填充字节，最后一个成员满足上面两条以外，还必须满足第三条，否则就必须在最后填充几个字节以达到本条要求。