数据对齐方式

熟练掌握数据对齐和大小端，可能会在选择题考察，也会在大题中间接考察。

数据对齐

数据对齐 （Data Alignment）是指数据在内存中的存放方式，它要求数据的起始地址必须是某个数（通常是 1、2、4、8）的整数倍，这个数被称为 对齐因子 （Alignment Factor）。数据对齐的目的是为了提高 内存访问 的效率，因为许多计算机系统都是按照数据的对齐边界来设计 内存访问 硬件的。

不对齐 的数据访问可能会导致 性能下降，因为处理器可能需要额外的 内存访问 来获取不完整的数据。在一些严格要求 数据对齐 的架构中，不对齐 的数据访问甚至会导致 硬件异常。

在 C11 中，我们可以通过 _Alignof 来查看不同数据类型的 对齐因子：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

#define EVAL_PRINT(expr) printf("%-20s = %u\n", #expr, (uint8_t)(expr));

int main(void) {
    EVAL_PRINT(_Alignof(char));
    EVAL_PRINT(_Alignof(uint8_t));
    EVAL_PRINT(_Alignof(uint16_t));
    EVAL_PRINT(_Alignof(uint32_t));
    EVAL_PRINT(_Alignof(int));
    EVAL_PRINT(_Alignof(uint64_t));
    EVAL_PRINT(_Alignof(void*));
    EVAL_PRINT(_Alignof(size_t));
    return 0;
}

以上程序运行的结果如下所示，以此我们可以判断每个类型的 aglinment 大小。

$ gcc alignof.c && ./a.out
_Alignof(char)       = 1
_Alignof(uint8_t)    = 1
_Alignof(uint16_t)   = 2
_Alignof(uint32_t)   = 4
_Alignof(int)        = 4
_Alignof(uint64_t)   = 8
_Alignof(void*)      = 8
_Alignof(size_t)     = 8

以下图中的结构体定义为例，假设我们定义一个变量，变量的类型长度为 K 个字节，那么这个变量在内存中的地址 addr 必须是 K 的整数倍，即 addr % K == 0。

上图中变量 b 和 a 之间增加了 1 个字节的 padding，变量 d 的末尾也增加了 3 个字节 padding，以保证下一个数据的开始是 4 的整数倍。

大小端

大小端 （Endianness）是指多字节 数据在内存中的字节序，也就是字节的排列顺序。主要有两种存放方式：

大端序

也叫做 大端模式 （Big-Endian）: 数据内部的 高位字节 存放在 低位地址，低位字节 存放在 高位地址。也就是说，一个整数的第一个字节（最高有效字节）将存放在起始地址处。

小端序

也叫做 小端模式 （Little-Endian）: 数据内部的 低位字节 存放在 低位地址，高位字节 存放在 高位地址。也就是说，一个整数的最后一个字节（最低有效字节）将存放在起始地址处。

举一个例子，假如定义数组 long a[2] = {0x76543210, 0xFEDCBA98}，long 类型的大小为 8 字节，数组a 在内存中的起始地址为 0x1000，则数组中两个元素在内存中的字节排列如下图所示：

注意

理解大小端的核心是要分清 字节内部的 bit 顺序 和 多字节数据的字节顺序（大小端的核心问题）

大小端（Endianness）本身并 不涉及字节内部的位顺序，它只规定 字节之间在内存中的排列方式。
在绝大多数现代 CPU 架构中，一个字节（8 bit）的内部位顺序都是 bit7 在高位，bit0 在低位，并且在寄存器和内存访问时，bit 顺序是一致的。

大小端 的选择通常是由计算机的 CPU 架构 决定的，不同的架构有不同的 字节序 要求。例如，Intel x86 和 x86-64 架构是小端，而网络协议通常是大端，因为大端的格式在 字节流 中的表示更加直观。

最后一句话总结一下 大小端：

小端序是低位字节在低地址
大端序是高位字节在低地址