C++内存对齐详解：原理、规则与性能优化 #

引言 #

内存对齐是C++中一个重要的底层概念，它直接影响着程序的性能和可移植性。本文将深入探讨内存对齐的原理、规则以及如何利用它来优化程序性能。

什么是内存对齐？ #

理论上计算机对于任何变量的访问都可以从任意位置开始，然而实际上系统会对这些变量的存放地址有限制，通常将变量首地址设为某个数N的倍数，这就是内存对齐。

为什么要内存对齐？ #

硬件平台限制，内存以字节为单位，不同硬件平台不一定支持任何内存地址的存取，一般可能以双字节、4字节等为单位存取内存，为了保证处理器正确存取数据，需要进行内存对齐。
提高CPU内存访问速度，一般处理器的内存存取粒度都是N的整数倍，假如访问N大小的数据，没有进行内存对齐，有可能就需要两次访问才可以读取出数据，而进行内存对齐可以一次性把数据全部读取出来，提高效率。

内存对齐规则 #

1. 数据成员对齐规则：struct或者union的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员都按照#pragma pack数值和这个数据成员自身大小中更小的那个进行对齐。

2. 整体对齐规则：struct或者union的首地址按照内部最大数据成员的大小和#pragma pack数值较小的那个N进行对齐，并且结构体的总大小为N的整数倍，如有必要编译器也会在最后一个成员后面填充一些字节用于对齐。

如何进行内存对齐？ #

class A {
    int a;
    char d;
};

// 创建给定类型对象大小满足对齐要求的未初始化内存块，在一个内存对齐的缓冲区上创建对象
// C++11后可以这样操作
void align_cpp11_after() {
    static std::aligned_storage<sizeof(A),
                              alignof(A)>::type data;
    A *attr = new (&data) A;
}

// C++11之前
void align_cpp11_before() {
    static char data[sizeof(void *) + sizeof(A)];
    const uintptr_t kAlign = sizeof(void *) - 1;
    char *align_ptr =
        reinterpret_cast<char *>(reinterpret_cast<uintptr_t>(data + kAlign) & ~kAlign);
    A *attr = new (align_ptr) A;
}

std::aligned_storage

std::aligned_storage用于创建一块对齐的内存，具体实现如下

template<std::size_t _Len>
struct __aligned_storage_msa {
    union __type {
        unsigned char __data[_Len];
        struct __attribute__((__aligned__)) { } __align;
    };
};

/** 
 *  @brief Alignment type.
 * 
 *  The value of _Align is a default-alignment which shall be the
 *  most stringent alignment requirement for any C++ object type
 *  whose size is no greater than _Len (3.9). The member typedef
 *  type shall be a POD type suitable for use as uninitialized
 *  storage for any object whose size is at most _Len and whose
 *  alignment is a divisor of _Align.
 */
template<std::size_t _Len, std::size_t _Align =
    __alignof__(typename __aligned_storage_msa<_Len>::__type)>
struct aligned_storage {
    union type {
        unsigned char __data[_Len];
        struct __attribute__((__aligned__((_Align)))) { } __align;
    };
};

使用方式上面已经介绍过了，Align大小也可以不填，默认会是采用最大最有益的对齐大小，大家可能源码里有些语句不了解含义，如下:

__attribute((packed))告诉编译器取消编译中的内存对齐优化，采用实际占用的字节数进行对齐。

__attribute((aligned(N))) 告诉编译器在编译过程中按照N字节对齐，经过测试这个N只有大于结构体中最大的变量的大小才有用。

__attribute__((aligned)) 后面不接数字，告诉编译器根据目标机制采用最大最有益的方式对齐，基本上就是16字节对齐。

alignof(X) 返回某类型的对齐大小，与std::alignment_of类似，这两个功能完全相同，但是std::alignment_of可以用于模板元编程。

类大小的测试 #

普通类型代码如下：

#include <stdio.h>

// g++空结构体的内存大小为1，需要分配1字节用于占位，C++编译器不允许对象为0长度，无法获取地址等
// gcc中为0
struct A1 {};

struct A2 {
    ;
};

struct A3 {
    char a;               // 1
    int b;                // 4
    unsigned short c;     // 2
    long d;               // 8
    unsigned long long e; // 8
    char f;               // 1
};  // A3大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(7)=40，括号内是为了内存对齐加的padding大小

struct A4 {
    int b;
    char a;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
};  // A4大小为4+1+(1)+2+8+8+1+(7)=32

//pragma pack(n)
//alignment must be a power of two
#pragma pack(2) //指定按两字节对齐
struct B1 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
};  // B1大小为1+(1)+4+2+8+8+1+(1)=26
#pragma pack() //取消指定对齐

#pragma pack(4)
struct B2 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
};  // B2大小为1+(3)+4+2+(2)+8+8+1+(3)=32
#pragma pack()

#pragma pack(8)
struct B3 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
};  // B3大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(7)=40
#pragma pack()

#pragma pack(16)
struct B4 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
};  // B4大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(7)=40
#pragma pack()

//__attribute__
struct C1 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned));  // C1大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(15)=48

struct C2 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    //long d;
    //unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned));  // C2大小为1+(3)+4+2+(6)=16

struct C3 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    //unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned));  // C3大小为1+(3)+4+2+(6)+8+(8)=32

struct C4 {
    char a;
    //int b;
    unsigned short c;
    //long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned));  // C4大小为1+(1)+2+(4)+8+1+(15)=32

struct C5 {
    char a;
    //int b;
    //unsigned short c;
    //long d;
    //unsigned long long e;
    //char f;
} __attribute__((aligned));  // C5大小为1+(15)=16

struct D1 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned(1)));  // D1大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(7)=40

struct D2 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned(4)));  // D2大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(7)=40

struct D3 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned(8)));  // D3大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(7)=40

struct D4 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((aligned(16)));  // D4大小为1+(3)+4+2+(6)+8+8+1+(15)=48

struct E1 {
    char a;
    int b;
    unsigned short c;
    long d;
    unsigned long long e;
    char f;
} __attribute__((packed));  // E1大小为1+4+2+8+8+1=24

int main() {
    printf("sizeof(char):%2d...sizeof(int):%2d...sizeof(ushort):%2d...sizeof(long):%2d...sizeof(ulonglong):%2d\n\r",
           sizeof(char), sizeof(int), sizeof(unsigned short), sizeof(long), sizeof(unsigned long long));

    printf("sizeof(A1):%2d...sizeof(A2):%2d...sizeof(A3):%2d...sizeof(A4):%2d\n\r",
           sizeof(struct A1), sizeof(struct A2), sizeof(struct A3), sizeof(struct A4));

    printf("sizeof(B1):%2d...sizeof(B2):%2d...sizeof(B3):%2d...sizeof(B4):%2d\n\r",
           sizeof(struct B1), sizeof(struct B2), sizeof(struct B3), sizeof(struct B4));

    printf("sizeof(C1):%2d...sizeof(C2):%2d...sizeof(C3):%2d...sizeof(C4):%2d...sizeof(C5):%2d\n\r",
           sizeof(struct C1), sizeof(struct C2), sizeof(struct C3), sizeof(struct C4), sizeof(struct C5));

    printf("sizeof(D1):%2d...sizeof(D2):%2d...sizeof(D3):%2d...sizeof(D4):%2d\n\r",
           sizeof(struct D1), sizeof(struct D2), sizeof(struct D3), sizeof(struct D4));

    printf("sizeof(E1):%2d...\n\r", sizeof(struct E1));

    return 1;
}

g++编译输出结果如下：

sizeof(char):  1...sizeof(int):  4...sizeof(ushort):  2...sizeof(long):  8...sizeof(ulonglong):  8
sizeof(A1):    1...sizeof(A2):   1...sizeof(A3):     40...sizeof(A4):     32
sizeof(B1):   26...sizeof(B2):  32...sizeof(B3):     40...sizeof(B4):     40
sizeof(C1):   48...sizeof(C2):  16...sizeof(C3):     32...sizeof(C4):     32...sizeof(C5): 16
sizeof(D1):   40...sizeof(D2):  40...sizeof(D3):     40...sizeof(D4):     48
sizeof(E1):   24...

具体的计算方式在代码中已经添加注释。

带有虚函数的类的大小测试：

#include <iostream>
using namespace std;

class A1 {
    int a;
    int b;
    int c;
    char d;
    void f() {
        cout << "f";
    }
};

class A2 {
    int a;
    int b;
    int c;
    char d;
};

class A3 {
    int a;
    int b;
    int c;
    char d;
    virtual void f() {
        cout << "f";
    }
};

int main() {
    cout << "sizeof A1 " << sizeof(A1) << endl;
    cout << "alignof A1 " << alignof(A1) << endl;
    cout << "sizeof A2 " << sizeof(A2) << endl;
    cout << "alignof A2 " << alignof(A2) << endl;
    cout << "sizeof A3 " << sizeof(A3) << endl;
    cout << "alignof A4 " << alignof(A3) << endl;

    return 0;
}

编译运行结果如下：

sizeof A1    16
alignof A1    4
sizeof A2    16
alignof A2    4
sizeof A3    24
alignof A4    8

通过结果可知，一个类带有虚函数，类的大小会多8个字节，这8个字节是虚函数表指针的大小，指针类型为长整型long，在32位机器上是4字节，64位机器上是8字节。