C++中的内存对齐介绍
網(wǎng)上有很多介紹字節(jié)對齊或數(shù)據(jù)對齊或內(nèi)存對齊的文章，雖然名字不一樣，但是介紹的內(nèi)容大致都是相同的。這里以內(nèi)存對齊相稱。注：以下內(nèi)容主要來自網(wǎng)絡。
內(nèi)存對齊，通常也稱為數(shù)據(jù)對齊，是計算機對數(shù)據(jù)類型合法地址做出了一些限制，要求某種類型對象的地址必須是某個值K(通常使2、4、8、16、32或64)的倍數(shù)。
現(xiàn)代計算機中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就需要各種類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
內(nèi)存對齊原因：
(1). 平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。
(2). 性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
對齊值必須是2的冪次方，如1, 2, 4, 8, 16。如果一個變量按n字節(jié)對齊，那么該變量的起始地址必須是n的倍數(shù)。
每個特定平臺上的編譯器都有自己默認的”對齊系數(shù)”，可以通過設置#pragma pack(n)，告訴編譯器，所有的對齊都是按照n的整數(shù)倍對齊。
在結(jié)構(gòu)體中，整個結(jié)構(gòu)的大小必須是其中最大字段大小的整數(shù)倍。
為了讓處理器快速讀寫內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)，默認情況，編譯器會把：
(1). 1個字節(jié)的變量，例如char類型的變量，放在任意地址的位置上；
(2). 2個字節(jié)的變量，例如short類型的變量，放在2的整數(shù)倍的地址上；
(3). 4個字節(jié)的變量，例如long/float類型的變量，放在4的整數(shù)倍地址上；
(4). 8個字節(jié)的變量，例如long long/uint64_t或double類型的變量，放在8的整數(shù)倍地址上；
(5). 16個字節(jié)的變量，放在8的整數(shù)倍地址上，因為默認的對齊方式是 8。
變量在內(nèi)存里面的順序，和定義變量的順序相同。為了符合對齊方式，就會在變量之間加入填充字節(jié)(padding)，讓后面的變量放在按照對齊方式的規(guī)則的地址上。
strcut/class/union內(nèi)存對齊規(guī)則：
1. 沒有#pragma pack宏的對齊規(guī)則：
(1). 結(jié)構(gòu)體的起始存儲位置必須是能夠被該結(jié)構(gòu)體中最大的數(shù)據(jù)類型所整除。
(2). 每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置是自身大小的整數(shù)倍(比如int在32位機為4字節(jié)，則int型成員要從4的整數(shù)倍地址開始存儲)。
(3). 結(jié)構(gòu)體總大小(也就是sizeof的結(jié)果)，必須是該結(jié)構(gòu)體成員中最大的對齊模數(shù)的整數(shù)倍。若不滿足，會根據(jù)需要自動填充空缺的字節(jié)。
(4). 結(jié)構(gòu)體包含另一個結(jié)構(gòu)體成員，則被包含的結(jié)構(gòu)體成員要從其原始結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大對齊模數(shù)的整數(shù)倍地址開始存儲(比如struct a里存有struct b，b里有char,int,double等元素,那b應該從8的整數(shù)倍開始存儲)。
(5). 結(jié)構(gòu)體包含數(shù)組成員，比如char a[3],它的對齊方式和分別寫3個char是一樣的，也就是說它還是按一個字節(jié)對齊。如果寫：typedef char Array[3], Array這種類型的對齊方式還是按一個字節(jié)對齊，而不是按它的長度3對齊。
(6). 結(jié)構(gòu)體包含共用體成員，則該共用體成員要從其原始共用體內(nèi)部最大對齊模數(shù)的整數(shù)倍地址開始存儲。
2. 存在#pragma pack宏的對齊：
(1). #pragma pack (n) // 編譯器將按照n個字節(jié)對齊?
(2). #pragma pack () //取消自定義字節(jié)對齊方式
可以通過C++11中的alignas函數(shù)來指定類型、對象或變量按多少字節(jié)對齊，可以通過alignof函數(shù)來判斷類型、對象或變量是按多少字節(jié)對齊的。
下面是從其他文章中copy的測試代碼，詳細內(nèi)容介紹可以參考對應的reference：
memory_alignment.cpp內(nèi)容如下：
#include "memory_alignment.hpp"
#include <iostream>
#include <cstdlib>//#pragma pack(1) // use #pragma pack set memory alignmentnamespace memory_alignment_ {//
int test_memory_alignment_1()
{{ // struct typedef struct A {char c;} A;typedef struct B {int i;} B;typedef struct C {double d;} C;typedef struct D {char c; int i;} D;typedef struct E {char* p;} E; // 32bits is 4, 64bits is 8typedef struct F {char* p; int* p2;} F;typedef struct G {char c1; char c2; char c3;} G;typedef struct H {char c; int* p;} H;typedef struct I {char c; int* p; int i;} I;typedef struct J {char c; int i; int* p;} J;typedef struct K {} K; // C++ size is 1, but C is 0fprintf(stdout, "size: A: %d, B: %d, C: %d, D: %d, E: %d, F: %d, G: %d, H: %d, I: %d, J: %d, K: %d\n",sizeof(A), sizeof(B), sizeof(C), sizeof(D), sizeof(E), sizeof(F), sizeof(G), sizeof(H), sizeof(I), sizeof(J), sizeof(K));fprintf(stdout, "size: short: %d, long: %d, float: %d, long long: %d, double: %d, uint64_t: %d\n",sizeof(short), sizeof(long), sizeof(float), sizeof(long long), sizeof(double), sizeof(uint64_t));
}return 0;
}//
// reference: https://stackoverflow.com/questions/17091382/memory-alignment-how-to-use-alignof-alignas
int test_memory_alignment_2()
{
{// alignas: 類型或?qū)ο蠡蜃兞堪粗付ǖ淖止?jié)對齊// Alignment of 16 means that memory addresses that are a multiple of 16 are the only valid addresses.alignas(16) int a[4];alignas(1024) int b[4];fprintf(stdout, "address: %p\n", a);fprintf(stdout, "address: %p\n", b);// alignof: 查詢指定類型的對齊要求，返回size_t類型值if (alignof(a) != 16 || (unsigned long long)a % 16 != 0) {fprintf(stderr, "a must be 16 byte aligned.\n");return -1;}if (alignof(b) != 1024 || (unsigned long long)b % 1024 != 0) {fprintf(stderr, "b must be 1024 byte aligned.\n");return -1;}
}{// every object of type sse_t will be aligned to 16-byte boundarystruct alignas(16) sse_t { float sse_data[4]; };// the array "cacheline" will be aligned to 128-byte boundaryalignas(128) char cacheline[128];
}return 0;
}//
// reference: https://en.cppreference.com/w/cpp/language/alignof
struct Foo {int i;float f;char c;
};struct Empty {};struct alignas(64) Empty64 {};int test_memory_alignment_3()
{std::cout << "Alignment of" "\n""- char : " << alignof(char) << "\n""- pointer : " << alignof(int*) << "\n""- class Foo : " << alignof(Foo) << "\n""- empty class : " << alignof(Empty) << "\n""- alignas(64) Empty: " << alignof(Empty64) << "\n";return 0;
}//
// reference: https://msdn.microsoft.com/en-us/library/dn956973.aspx
int test_memory_alignment_4()
{struct x_ {char a; // 1 byte int b; // 4 bytes short c; // 2 bytes char d; // 1 byte } MyStruct;// The compiler pads this structure to enforce alignment naturally.// The following code example shows how the compiler places the padded structure in memory:Copy// Shows the actual memory layout /*struct x_ {char a; // 1 byte char _pad0[3]; // padding to put 'b' on 4-byte boundary int b; // 4 bytes short c; // 2 bytes char d; // 1 byte char _pad1[1]; // padding to make sizeof(x_) multiple of 4 } MyStruct; */// 1. Both declarations return sizeof(struct x_) as 12 bytes.// 2. The second declaration includes two padding elements:// 3. char _pad0[3] to align the int b member on a four-byte boundary// 4. char _pad1[1] to align the array elements of the structure struct _x bar[3];// 5. The padding aligns the elements of bar[3] in a way that allows natural access.return 0;
}} // namespace memory_alignment_
CMakeLists.txt內(nèi)容如下：
PROJECT(CppBaseTest)
CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.0)# 支持C++11
SET(CMAKE_C_FLAGS "${CMAKE_C_FLAGS} -g -Wall -O2 -std=c11")
SET(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -g -Wall -O2 -std=c++11")
# 支持C++14, when gcc version > 5.1, use -std=c++14 instead of c++1y
SET(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -g -Wall -O2 -std=c++1y")MESSAGE(STATUS "project source dir: ${PROJECT_SOURCE_DIR}")
SET(PATH_SRC_FILES ${PROJECT_SOURCE_DIR}/./../../demo/CppBaseTest)
MESSAGE(STATUS "path src files: ${PATH_SRC_FILES}")# 指定頭文件的搜索路徑
INCLUDE_DIRECTORIES(${PATH_SRC_FILES})# 遞歸查詢所有匹配的文件:*.cpp
FILE(GLOB_RECURSE CPP_LIST ${PATH_SRC_FILES}/*.cpp)
FILE(GLOB_RECURSE C_LIST ${PATH_SRC_FILES}/*.c)
#MESSAGE(STATUS "cpp list: ${C_LIST}")# 編譯可執(zhí)行程序
ADD_EXECUTABLE(CppBaseTest ${CPP_LIST} ${C_LIST})
# 用來為target添加需要鏈接的共享庫，指定工程所用的依賴庫，包括動態(tài)庫和靜態(tài)庫
TARGET_LINK_LIBRARIES(CppBaseTest pthread)build.sh腳本內(nèi)容如下：
#! /bin/bashreal_path=$(realpath $0)
dir_name=`dirname "${real_path}"`
echo "real_path: ${real_path}, dir_name: ${dir_name}"new_dir_name=${dir_name}/build
mkdir -p ${new_dir_name}
cd ${new_dir_name}
cmake ..
makecd -
編譯及測試方法如下：首先執(zhí)行build.sh，然后再執(zhí)行./build/CppBaseTest即可。
GitHub： https://github.com/fengbingchun/Messy_Test??
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的C++中的内存对齐介绍的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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