为什么要内存对齐

2014 年 1 月 5 日

CPU访问内存时，并不是逐个字节访问，而是以字长（word size）为单位访问。比如32位的CPU，字长为4字节，那么CPU访问内存的单位也是4字节。

这么设计的目的，是减少CPU访问内存的次数，加大CPU访问内存的吞吐量。比如同样读取8个字节的数据，一次读取4个字节那么只需要读取2次。

下面我们来看看，编写程序时，变量在内存中是否按内存对齐的差异。假设我们有如下结构体：

struct Foo {
    uint8_t  a;
    uint32_t b;
}

示意图如下：

我们假设CPU以4字节为单位读取内存。

如果变量在内存中的布局按4字节对齐，那么读取a变量只需要读取一次内存，即word1；读取b变量也只需要读取一次内存，即word2。

而如果变量不做内存对齐，那么读取a变量也只需要读取一次内存，即word1；但是读取b变量时，由于b变量跨越了2个word，所以需要读取两次内存，分别读取word1和word2的值，然后将word1偏移取后3个字节，word2偏移取前1个字节，最后将它们做或操作，拼接得到b变量的值。

显然，内存对齐在某些情况下可以减少读取内存的次数以及一些运算，性能更高。

另外，由于内存对齐保证了读取b变量是单次操作，在多核环境下，原子性更容易保证。

但是内存对齐提升性能的同时，也需要付出相应的代价。由于变量与变量之间增加了填充，并没有存储真实有效的数据，所以占用的内存会更大。这也是一个典型的空间换时间的应用场景。

好，本篇文章就到这里，后面会再写一篇文章介绍编写c程序时，如何开关内存对齐，以及控制内存按多少字节对齐。

参考资料：

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