C++ 内存对齐

内存对齐

引言

理论上，计算机可以访问任何内存地址上的数据。但实际上，系统会对变量的存放地址施加限制，通常要求变量 的首地址是某个特定值（称为对齐模数 N）的整数倍。这种限制就是内存对齐。

为什么要求内存对齐

主要原因有两个：

1. 硬件平台限制：不同硬件平台对内存的存取单位可能不同。为了确保处理器能够正确存取数据，必须进行对齐。
2. 提高CPU内存访问速度：处理器通常以固定的粒度访问内存。如果数据没有对齐，CPU可能需要两次内存访问才能读取完整数据；而对齐后，可以一次性读取，提高效率。

内存对齐规则

内存对齐的对象是所有数据类型 ，包括基本类型（如 int、double）、数组、结构体（struct）和类（class）。

详细说明：

1. 基本类型 ：每个基本类型都有自身的对齐要求。例如，一个 int（通常4字节）通常需要存储在4的整数倍地址上；double（8字节）通常需要8字节对齐。
2. 结构体（struct）和类（class）：在C++中，结构体和类在内存布局上本质相同（仅默认访问权限不同）。它们作为复合类型，其内存对齐规则涉及内部各成员的对齐以及整体的对齐。
3. 数组 ：数组的对齐要求与其元素类型一致。例如，int 数组的每个元素都按 int 的对齐要求存放。

基本类型的对齐要求

类型	大小（字节）	对齐要求（字节）
char	1	1
short	2	2
int	4	4
float	4	4
double	8	8
long	4（32位）/8（64位）	4 或 8
指针	4/8	4 或 8

对齐要求通常等于类型的大小，但并非绝对（例如 long double 可能对齐为 16 字节）。

结构体与类的对齐

默认对齐规则

1. 每个成员必须放在其自身对齐要求的整数倍地址上。
2. 整个结构体的大小必须是最大成员对齐要求的整数倍。
3. 成员按声明顺序排列，编译器在必要时插入填充字节（padding）。

struct MyStruct {
    char a;      // 1字节
    int b;       // 4字节
    double c;    // 8字节
};

class MyClass {
    char a;
    int b;
    double c;
public:
    void foo() {}
};

// 在相同编译环境下，MyStruct 和 MyClass 的内存布局和对齐要求通常一致。

MyStruct/MyClass 内存布局（假设起始地址为0）：
+----+----+----+----+----+----+----+----+
| a  | padding |         b              |   // 偏移0-7
+----+----+----+----+----+----+----+----+
|               c                       |   // 偏移8-15
+----+----+----+----+----+----+----+----+

详细说明：
1. char a: 偏移0，占用1字节
2. 填充: 偏移1-3，3字节，为了满足int b的4字节对齐
3. int b: 偏移4-7，4字节
4. double c: 偏移8-15，8字节，同时已经是8的倍数

总大小：16字节

使用#pragma pack对齐

某些场景（如网络协议、硬件寄存器、文件格式）需要取消填充字节 ，使结构体紧密排列。编译器提供了打包指令 #pragma pack

网络协议传输中，如果把 padding 中无意义的数据打包进入，可能导致异常

基本语法

// 设置对齐值为 n（n 通常是 1、2、4、8、16 等 2 的幂）
#pragma pack(n)

// 保存当前对齐设置并设置新值（推荐用法）
#pragma pack(push, n)

// 恢复之前保存的对齐设置
#pragma pack(pop)

// 恢复编译器默认对齐（通常是 8）
#pragma pack()

示例

// 默认对齐下，结构体大小为24字节
struct DefaultAlign {
    char a;      // 1字节 + 7字节填充
    double b;    // 8字节
    int c;       // 4字节 + 4字节填充（整体需是8的倍数）
}; // sizeof = 24

// 使用4字节对齐，大小减少到16字节
#pragma pack(4)
struct Pack4Align {
    char a;      // 1字节 + 3字节填充
    double b;    // 8字节（按4对齐，分两次存储）
    int c;       // 4字节
}; // sizeof = 16
#pragma pack()

打包的代价

• 访问非对齐成员可能引发性能下降甚至硬件异常（若平台不支持非对齐访问）。
• 某些处理器会静默修复非对齐访问，但需要额外微码操作，速度慢。
• 跨平台可移植性：同一份打包结构在不同架构上行为可能不同。

参考资料

• https://blog.csdn.net/qq_33060405/article/details/144254173?fromshare=blogdetail\&sharetype=blogdetail\&sharerId=144254173\&sharerefer=PC\&sharesource=qq_60536076\&sharefrom=from_link