在 C++ 中，内存对齐 是一种编译器和硬件协作的机制，用于将数据存储在内存中时按照一定的规则进行排列，以提高数据访问的效率。其目的是确保数据在内存中的地址满足硬件对齐要求，并优化 CPU 访问速度。
C++ 中内存对齐的基本概念
- 对齐单位（Alignment Unit）： 每种数据类型有其对应的对齐单位，通常是数据类型的大小。例如：
- char 类型的大小为 1 字节，对齐单位为 1。
- int 类型的大小为 4 字节，对齐单位为 4。
- double 类型的大小为 8 字节，对齐单位为 8。
- 对齐规则：
- 单个变量：变量的地址必须是其对齐单位的整数倍。
- 结构体中的变量：每个成员变量按照其对齐单位对齐。
- 整个结构体的大小是最大对齐单位的整数倍（即结构体的大小会被填充到满足最大成员对齐单位的倍数）。
C++ 中内存对齐的示例
示例 1：普通结构体对齐
#include <iostream>
using namespace std;
struct Example {
char a; // 占 1 字节
int b; // 占 4 字节
short c; // 占 2 字节
};
int main() {
cout << "Size of Example: " << sizeof(Example) << endl;
return 0;
}
分析：
- char a 的起始地址是 0，大小为 1 字节。
- int b 必须从 4 的倍数地址开始，因此在 a 后插入 3 个填充字节。
- short c 的对齐单位是 2，其地址为 8。
- 结构体大小必须是最大对齐单位（4）的倍数，因此在 c 后填充 2 个字节。
最终，Example 的大小为 12 字节。
示例 2：使用 #pragma pack 修改对齐方式
可以使用 #pragma pack 指令改变对齐方式：
#include <iostream>
using namespace std;
#pragma pack(1) // 设置对齐单位为 1 字节
struct PackedExample {
char a;
int b;
short c;
};
#pragma pack() // 恢复默认对齐
int main() {
cout << "Size of PackedExample: " << sizeof(PackedExample) << endl;
return 0;
}
分析：
- char a 占 1 字节，无填充。
- int b 紧接在 a 后，占 4 字节。
- short c 紧接在 b 后，占 2 字节。
- 总大小为 7 字节，没有填充。
C++ 中的内存对齐控制
- #pragma pack：
- 用于设置对齐单位。
- 例如：#pragma pack(2) 将所有变量的对齐单位限制为 2 字节。
- alignas 和 alignof： C++11 提供了关键字 alignas 和 alignof，用于设置和查询对齐方式。
#include <iostream>
alignas(16) struct AlignedStruct {
int a;
double b;
};
int main() {
std::cout << "Alignment of AlignedStruct: " << alignof(AlignedStruct) << std::endl;
std::cout << "Size of AlignedStruct: " << sizeof(AlignedStruct) << std::endl;
return 0;
}
- alignas(16) 将结构体对齐到 16 字节。
- alignof(AlignedStruct) 查询结构体的对齐单位。
默认对齐： 编译器会根据目标平台和数据类型的特性选择默认对齐方式。
C++ 中内存对齐的优缺点
优点：
- 提高程序运行效率，特别是在多核 CPU 或 SIMD（单指令多数据）操作中。
- 遵循硬件架构对对齐的要求，避免未对齐访问导致的性能问题。
缺点：
- 增加内存占用，因为填充字节（Padding）会占用额外空间。
- 对于小型嵌入式系统，可能需要手动调整对齐方式以节省内存。
求结构体所占空间的大小
- 结构体成员当中所占空间最大的类型 按照它来对齐 结果一定是它的整数倍
- 要按照定义的流程进行空间的分配
- 整数倍地址对齐
- 当结构体成员为数组时 需要把数组拆分成很多个变量处理
#include<iostream>
using namespace std;
struct {
char b;
int a;
char c;
} s;
int main() {
cout << sizeof(s);
return 0;
}
4.位域
1.如果相邻的成员时同种类型可以尝试往一个单位进行放置 如果放不下就两个单位处理
2.成员不允许跨单位放置
#include<iostream>
using namespace std;
struct {//位域
char b:1;
char a:7;
char c:1;
}s;
int main() {
cout << sizeof(s);
return 0;
}
为什么需要内存对齐
1. 硬件访问效率
大多数 CPU 是按照固定宽度的内存总线来访问内存的（比如 4 字节或 8 字节），而非逐字节操作。如果数据未对齐，CPU 可能需要执行多次内存访问才能完成一次数据读取或写入，导致性能下降。
示例：
假设一个 4 字节的 int 数据存储在一个非对齐地址（比如地址 0x01），CPU 需要：
- 读取 0x00-0x03 的数据（第一段）。
- 再读取 0x04-0x07 的数据（第二段）。
- 从两段数据中提取有效字节。
而如果 int 对齐到 4 字节边界（地址为 0x04），只需要一次读取即可完成。
2. 遵循硬件架构要求
某些硬件架构（如一些 RISC 处理器）严格要求数据必须对齐。如果不对齐的情况下访问内存，会触发硬件异常或错误。
例如：
- 在 ARM 和 SPARC 架构中，未对齐访问可能直接导致程序崩溃。
- 在 x86 架构中，虽然支持未对齐访问，但会降低性能。
3. 优化内存缓存（Cache）性能
CPU 的缓存以缓存行（Cache Line）的形式存储数据（通常是 32 字节或 64 字节）。对齐数据可以减少跨缓存行的访问，从而提高缓存命中率，降低内存访问延迟。
举例：
假设缓存行大小为 64 字节：
- 对齐数据可以完全装入一个缓存行中。
- 未对齐数据可能跨越两个缓存行，导致需要多次读取缓存甚至内存，降低性能。
4. 简化硬件设计
对齐的数据访问模式可以让硬件设计更简单高效。例如：
- 内存地址和对齐单位是 2 的幂关系，硬件通过位运算即可快速判断是否对齐。
- 对齐后，内存访问的边界计算更加规整，减少硬件复杂度。
5. 提升编译器优化能力
编译器在生成机器码时，如果数据是对齐的，可以生成更高效的指令序列；而未对齐的数据访问可能需要额外的指令来处理，例如：
- 数据分割和拼接。
- 调整偏移地址。
6. 程序稳定性和跨平台兼容性
不同平台可能对数据对齐的要求不同。对齐数据可以避免在跨平台运行时出现兼容性问题（如硬件错误或性能差异）。
