字节对齐是怎么回事？

由于C语言是一门接近底层硬件的编程语言，它能直接对存储器地址进行访问（当前大部分处理器在操作系统的应用层所访问到的逻辑地址，而部分嵌入式系统由于不含带存储器管理单元，因此可直接访问物理地址）。

在计算机中，所谓“地址”就是用来标识存储单元的一个编号，就好比我们住房的门牌号。没有门牌号，快递就没法发货；如果门牌号记错了，那么快递就会把货物送错地方。

计算机中的地址也是一样，我们为了要访问存储器中特定单元的一个数据，那么我们首先要获悉该数据所在的地址，然后我们通过这个地址来访问它。

访问存储器，我们也简称为“访存”（Memory Access）。访问地址，我们也简称为“寻址”（Addressing）。

一般计算机架构中都会有地址总线和数据总线，CPU 先通过地址总线发送寻址信号，以指定所要访问存储器单元的地址。然后再通过数据总线向该地址读写数据，这样就完成了一次访存操作。这好比于快递送货，我们先打电话告诉快递通信地址，然后快递员把货送到该地址（写数据），或者去该地址拿货（读数据）送到别家。

一般对于 32 位系统来说，处理器一次可访问 1个（8比特）字节、2 个字节或 4 个字节。当访问单个字节时，对 CPU 不做对齐限制；而当访问多个字节时，比如要访问 N 个字节，由于计算机总线设计等诸多因素，要求 CPU 所访问的起始地址满足 N 个字节的倍数来访问存储器。如果在访问存储器时没有按照特定要求做字节对齐，那么可能会引发访存性能问题，甚至直接导致寻址错误而引发异常（引发异常后通常会导致当前应用意外退出，在嵌入式系统中可能就直接死机或复位）。

下面我们给出一张图来描述，看看一般对 32 位系统而言如何正确地做到访存字节对齐。


图中展示了如何正确对齐访问 1 个字节、2 个字节和 4 个字节的情况。图中画出了 6 个存储单元内容，地址低 16 位从 0x1000 到 0x1005，每个存储单元为 1 个字节。

• 对于仅访问 1 个字节的情况，图中所有地址都能直接访问并满足字节对齐的情况。
• 对于一次访问 2 个字节的情况，要满足对齐要求，只能访问 0x1000、0x1002、0x1004 等必须要能被2整除的地址。
• 对于一次访问 4 字节的情况，要满足对齐要求，则只能访问 0x1000、0x1004 等必须要能被 4 整除的地址。

然而，并不是说要访问多少字节，就必须要保证访问能被多少整除的地址才能满足对齐要求。如果一次访问 8 字节，对于 32 位系统而言，通过 32 位通用目的寄存器来读写存储器的话，某些 CPU 会自动将 8 字节的访存分为两次进行操作，每次为 4 字节，因此只要保证 4 字节对齐就能满足对齐要求。这些都根据特定的处理器来做具体处理。

就笔者用过的一些处理器而言，像 x86、ARM 等处理器，当访存不满足对齐要求时并不会引发总线异常，但是访问性能会降低很多。因为原本可一次通信的数据传输可能需要拆分为多次，并且前后还要保证数据的一致性，所以还可能会有锁步之类的操作。而像Blackfin DSP则会直接引发总线异常，导致整个系统的崩溃（如果不对此异常做处理的话）。

另外，像 ARMv5 或更低版本的处理器，在对非对齐的存储器地址进行访问时，CPU 会先自动向下定位到对齐地址，然后通过向右循环移位的方式处理数据，这就使得传输数据并不是原本想一次传输的数据内容，也就是说写入的或读出的数据是失真的。

比如，根据上图所示内容，如果我们要对一款 ARM7EJ-S 处理器（ARMv5TEJ 架构）从地址 0x1002 读 4 字节内容，那么实际获取到的数据为 0x02010403；而在 x86 架构或 ARMv7 架构的处理器下，则能获得 0x06050403。