【C++指南】C++中的内存对齐规则及原因详解

news2024/11/15 8:59:06

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⏩ 文章专栏：《C++指南》

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引言

一、为什么要进行内存对齐

二、C++中的内存对齐规则

三、内存对齐示例讲解

示例代码

运行结果解释

内存布局详细说明

结语

引言

在计算机科学中，内存对齐是一种数据存储方式，它要求某些类型的数据必须存储在特定地址上。这种要求是由硬件架构决定的，不同的处理器可能有不同的对齐要求。C++作为一种底层抽象程度较高的编程语言，允许开发者通过编译器选项或特定语法来控制数据的内存布局，以满足这些硬件需求。

本文将详细介绍C++中的内存对齐规则及其背后的原理。

一、为什么要进行内存对齐

内存对齐的原因主要可以归结为两个方面：性能提升和平台兼容性。

（下方加红的两点是最主要的两个原因）

性能提升：
- 减少CPU访问次数：现代CPU通常一次可以读取多个字节（如4个或8个字节）。如果一个数据项没有正确对齐，那么CPU可能需要两次或更多次的内存访问才能完成对该数据项的加载或存储操作，这会显著降低程序运行速度。例如，在32位系统上，如果一个4字节的整数没有4字节对齐，那么访问这个整数时可能会跨越两个不同的内存块，导致性能下降。
- 优化内存带宽利用：内存带宽是有限的，对齐数据可以减少因读取未对齐数据而产生的额外开销，使内存带宽得到更有效的利用。
平台兼容性：
- 硬件限制：不是所有的硬件平台都能无差别地访问任意地址上的任意数据。某些硬件平台（如某些架构的CPU）要求特定类型的数据必须从特定的内存地址开始存取，否则可能引发硬件异常或错误。内存对齐可以确保数据在存储时满足这些硬件要求，从而提高程序的兼容性和稳定性。
- 移植性：编写可移植的代码是软件开发中的一个重要目标。内存对齐有助于减少因不同平台间硬件差异而导致的兼容性问题，使得同一份代码能够在不同的硬件平台上正常运行。

二、C++中的内存对齐规则

C++标准规定了每个数据类型的最小对齐要求，这些要求通常是该类型大小的倍数。例如，int类型（假设为4字节）应该至少4字节对齐，而double类型（假设为8字节）则应8字节对齐。

具体规则如下：

第⼀个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
其他成员变量要对齐到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
基本数据类型：对于内置类型如char、short、int、long、float、double等，它们的对齐方式通常是其自身大小。
结构体和类：对于复合类型，如结构体或类，其成员变量的对齐方式取决于各自的基本类型。结构体或类的整体对齐要求是其所有成员中最大的对齐要求。
数组：数组的对齐方式与其元素类型相同。
注意：对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数与该成员大小的较小值。
比如Visual Studio默认的对⻬数为8

三、内存对齐示例讲解

示例代码

#include <iostream>
#include <type_traits>

// 定义一个结构体
struct MyStruct {
    char a;     // 1 byte
    int b;      // 4 bytes
    double c;   // 8 bytes
    short d;    // 2 bytes
};

int main() {
    // 打印每个成员的偏移量
    std::cout << "Offset of a: " << offsetof(MyStruct, a) << std::endl;
    std::cout << "Offset of b: " << offsetof(MyStruct, b) << std::endl;
    std::cout << "Offset of c: " << offsetof(MyStruct, c) << std::endl;
    std::cout << "Offset of d: " << offsetof(MyStruct, d) << std::endl;

    // 打印每个成员的对齐要求
    std::cout << "Alignment of char: " << alignof(char) << std::endl;
    std::cout << "Alignment of int: " << alignof(int) << std::endl;
    std::cout << "Alignment of double: " << alignof(double) << std::endl;
    std::cout << "Alignment of short: " << alignof(short) << std::endl;

    // 打印结构体的大小和对齐要求
    std::cout << "Size of MyStruct: " << sizeof(MyStruct) << std::endl;
    std::cout << "Alignment of MyStruct: " << alignof(MyStruct) << std::endl;

    // 解释内存布局
    std::cout << "\nMemory Layout Explanation:\n";
    std::cout << "a (1 byte) at offset 0\n";
    std::cout << "Padding (3 bytes) to align b to 4-byte boundary\n";
    std::cout << "b (4 bytes) at offset 4\n";
    std::cout << "Padding (4 bytes) to align c to 8-byte boundary\n";
    std::cout << "c (8 bytes) at offset 8\n";
    std::cout << "d (2 bytes) at offset 16\n";
    std::cout << "Padding (6 bytes) to make the total size a multiple of the largest alignment (8 bytes)\n";

    return 0;
}

运行结果解释

内存布局详细说明

a (1 byte)：位于偏移量0处。
Padding (3 bytes)：为了使b对齐到4字节边界，插入3字节的填充。
b (4 bytes)：位于偏移量4处。
Padding (4 bytes)：为了使c对齐到8字节边界，插入4字节的填充。
c (8 bytes)：位于偏移量8处。
d (2 bytes)：位于偏移量16处。
Padding (6 bytes)：为了使整个结构体的大小是8字节的倍数，插入6字节的填充。