从硬件到语言，详解C++的内存对齐（memory alignment）

程序员文章站 2022-07-26 13:46:27

很多写C/C++的人都知道“内存对齐”的概念以及规则，但不一定对他有很深入的了解。这篇文章试着从硬件到C++语言、更彻底地讲一下C++的内存对齐。 ......

转载请保留以下声明
　　作者：）。

我们也可以写一个简单的程序测试一下自己的CPU对未对齐内存访问的支持，以下是代码：

#include <iostream>
#include <chrono>

using namespace std;
using namespace std::chrono;

milliseconds test_duration(volatile int * ptr)  // 使用volatile指针防止编译器的优化
{
    auto start = steady_clock::now();
    for (unsigned i = 0; i < 100'000'000; ++i)
    {
        ++(*ptr);
    }
    auto end = steady_clock::now();
    return duration_cast<milliseconds>(end - start);
}

int main()
{
    int raw[2] = {0, 0};
    {
        int* ptr = raw;
        cout << "address of aligned pointer: " << (void*)ptr << endl;
        cout << "aligned access: " << test_duration(ptr).count() << "ms" << endl;
        *ptr = 0;
    }
    {
        int* ptr = (int*)(((char*)raw) + 1);
        cout << "address of unaligned pointer: " << (void*)ptr << endl;
        cout << "unaligned access: " << test_duration(ptr).count() << "ms" << endl;
        *ptr = 0;
    }
    cin.get();
    return 0;
}

我测试使用的电脑的CPU是Intel Core i7 2630QM，是intel 2代酷睿CPU，测试结果为：

address of aligned pointer: 000000668DEFFA78
aligned access: 282ms
address of unaligned pointer: 000000668DEFFA79
unaligned access: 285ms

可以看出对齐与未对齐的内存访问没有性能上的差别。

在C++中修改对齐要求

一般情况下，我们不需要自定义对齐要求，但也会有很特殊的情况下需要做调整。C++中，我们可以使用alignas关键字修改一个类型、或者一个变量的对齐要求。例如：

class MyObject
{
    char c;
    alignas(8) int i;
    short s;
};

这样的话，变量i的对齐要求由原本的4变成了8，结果就是，i的字节数偏移由4变成了8，s的字节数偏移由8变成了12，MyObject的对齐要求也变成了8，大小变成了16。

我们也可以对MyObject的定义使用alignas：

class alignas(16) MyObject
{
    char c;
    int i;
    short s;
};

还可以在alignas里面写某个类型。也可以使用多个alignas，结果就是使用最大的对齐要求。例如以下MyObject的对齐要求就是16：

class alignas(int) alignas(16) MyObject
{
    char c;
    int i;
    short s;
};

alignas有一个限制，那就是不能用alignas改小对齐要求。例如以下的代码会报错：

alignas(1) int i;

另外，C++中，有一个特殊的类型：max_align_t，所有不大于他的对齐量叫做基础对齐量（fundamental alignment），比这个对齐量大的叫做扩展对齐量（extended alignment ）。C++标准规定，所有平台必须要支持基础对齐量，而对于扩展对齐量的支持要看各个平台。一般来说max_align_t的对齐量等于long double的对齐量。

C++关于内存对齐的支持还有很多功能，例如查询对齐量的alignof关键字，可以创建任意大小任意对齐要求的类型的aligned_storage模板，还有方便模板编程的alignment_of等等，在此就不细述了。

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