结构体、位域、栈的字节对齐

为什么要字节对齐

可移植性：不是所有硬件都能从任意地址开始访问数据，如 MIPS 遇到未对齐内存直接报错
效率：CPU 每次读取内存时是一块一块读取的，如果目标数据跨越了两个块，CPU 要把两个块都读进来，去掉无关字节，然后将两个块中的目标数据拼接起来，大大降低了 CPU 的效率

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结构体/联合体中的字节对齐

结构体内的第一个成员的偏移量为0，此后每个成员的偏移量为 min(#pargma pack()，成员自身长度)的倍数
对于联合体，每个成员的偏移地址都是0

如果结构体中嵌套结构体/联合体，那么嵌套的结构体/联合体的偏移量必须是它最大成员的字节数的整数倍

最后，结构体/联合体总的字节数必须是最宽基本类型成员所占字节数的整数倍（包括嵌套的结构体中的基本成员）

struct outer {
    int a;
    struct {
    	double d;
        char c;
        int i;
    }in;
};
//sizeof(struct outer) == 24  sizeof(struct inner) == 16

struct outer {
    int a;
    union inner{
    	double d;
        char c;
        int i;
    }s;
};
//sizeof(struct outer) == 16  sizeof(union inner) == 8

union outer {
    int a;
    union inner{
    	double d;
        char c;
        int i;
    }s;
};
//sizeof(union outer) == 8  sizeof(union inner) == 8

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位域的压缩与字节对齐

首先简单介绍一下位域（bit filed、位段）
位域用于声明将数据以位的形式紧凑储存，并允许直接对位域变量进行操作
位域类型变量不可取址
优点：①节省空间；②可以方便将一个整数值的部分位作为整体访问、操作
缺点：位域的压缩与对齐是平台、机器相关的，难以移植

位域的压缩：

• 如果相邻位域字段的位域类型相同，各个字段只占定义时的位长度
• 如果一个位域字段的长度压缩时会跨越两个位域类型存储单元，则对齐到第二个单元存储
• 如果位域字段间有非位域字段，则这两个位域字段不进行压缩

位域的对齐：如果相邻的位域字段类型不同，则按照结构体对齐规则对位域类型进行对齐

位域就像，按位域类型正常分配空间，压缩性地使用部分空间

struct test{
    char c1:1;
    char c2:2;
    char c3:7;
    int  i:3;
    char c4:2;
};
//sizeof(struct test) == 12, c3从第二个字节开始, i从第五个字节开始, c4从第九个字节开始

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调用栈的字节对齐

主要是为了支持 SSE（Streaming SIMD Extensions）浮点运算扩展指令集与16字节的 XMM 浮点寄存器
GCC 栈帧的边界默认以16字节对齐，栈帧内按正常规则对齐

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编译器对字节对齐的支持

对于 VC 来说，有 #pargma pack(n) 预处理命令，如 #pargma pack(8)，指定按照8字节对齐
#pargma pack(push) 、#pargma pack(pop) 保存当前字节对齐状态、弹出栈顶字节对齐状态
#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式

 
对于GCC，除了 #pargma pack(n) 预处理命令外
还可以使用 __attribute__ 机制来指定字节对齐数，如在描述GDT表项的数据结构中，

struct gdt_entry {
    uint16_t limit_low;
    uint16_t base_low;
    uint8_t base_middle;
    uint8_t access;
    unsigned limit_high: 4;
    unsigned flags: 4;
    uint8_t base_high;
} __attribute__((packed));

attribute 中 packed 表明 struct / union 中的成员紧紧地打包在一起，不进行字节对齐（亲测 DEVC gcc，还是进行了对齐）
可以使用 aligned (alignment) 属性来指定字节对齐数
如 __attribute__((aligned(4))) 四字节对齐，__attribute__((aligned)) 默认对齐方式

此外，attribute 属性的效果与链接器也有关，attribute 属性指定的字节对齐数，需要链接器也支持

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2019/12/22