C-强制使用_Alignas说明符对齐-为什么使用内存填充？

Question

关于C语言中的内存对齐，以及在使用_Alignas说明符强制将变量对齐到一定字节数后如何分配内存，我有几个问题。

此代码在输出中显示每个已声明变量的内存地址：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
       unsigned char dx = 1;
       unsigned char ca  = 1;
       unsigned char cx  = 1;
       unsigned char dz = 1;
       unsigned char cb = 1;
       unsigned char _Alignas(double)  cz = 1;

       char * p_begin = (char *) &cz;
       char * p_end = (char * ) &dx + sizeof(dx);

       printf("Addresses   Value\n");
       for (char * p = p_begin; p < p_end; p++)
       {
              printf("%9p   %6X", p, 0xff & *p);

              if (p == (char *) & dx) printf(" <- dx\n");
              else if (p == (char *) & ca) printf(" <- ca\n");
              else if (p == (char *) & cx) printf(" <- cx\n");
              else if (p == (char *) & dz) printf(" <- dz\n");
              else if (p == (char *) & cb) printf(" <- cb\n");
              else if (p == (char *) & cz) printf(" <- cz\n");
              else printf("\n");
       }

       return 0;
}

在我的电脑上，输出如下：

Addresses   Value
   28ff08        1 <- cz
   28ff09       FF
   28ff0a       28
   28ff0b        0
   28ff0c       CE
   28ff0d       2A
   28ff0e       40
   28ff0f        1 <- cb
   28ff10        1 <- dz
   28ff11        1 <- cx
   28ff12        1 <- ca
   28ff13        1 <- dx

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.016 s
Press any key to continue.

在强制cz变量对齐8字节后，我期望看到的唯一行为是cz被分配给一个值是8的倍数的地址，我不希望看到从填充中跟随cz。为什么会有这样的行为？我还预计与填充相对应的字节数加上1字节的数据大小会得到8个字节，而填充占用6个字节，原因是什么？

Answer 1

堆栈通常向下增长。这没有本质的原因，很大程度上是历史发展的结果。为堆栈分配一个内存区域，将堆栈指针设置为指向堆栈的高端，并启动程序的主例程。因为程序需要更多的堆栈空间，所以它减少了堆栈指针。

在您的示例中似乎发生的情况是，编译器按照遇到对象的顺序为对象分配空间。首先看到的是dx，因此会为它分配堆栈上的下一个可用空间0x28ff13。然后看到ca，并将其分配给0x28ff12。我们看到，随着堆栈的增长，它从较高的地址(开始的地址)到较低的地址。

当编译器到达您请求的8字节对齐的cz时，编译器跳转到下一个8的倍数(仍然是向下的方向)，即0x28ff08。

当然，编译器可以考虑整个情况(而不是一次只查看一个对象)，并将cz放在0x28ff10处，然后将其他对象放在它周围，从而使用更少的堆栈空间。如果在启用优化的情况下编译，编译器可能会这样做。另一方面，编译器可能要求在您的平台上保持堆栈指针对齐到8个字节(或更多)，因此重新排列这些特定对象无论如何都不会节省任何堆栈空间。

在C标准中没有关于这方面的规则。编译器可以随心所欲地安排它的堆栈。