cpp 中的内存对齐 ​

为什么需要内存对齐 ​

需要字节对齐的根本原因在于 CPU 访问数据的效率问题。假如没有字节对齐，那么一个 double 类型的变量可能存储在 4-11 上（正常是 0-7），这样计算机在取这个数据时，会取两次，降低效率。而如果变量在自然对齐位置上，则只要一次就可以取出数据。一些系统对对齐要求非常严格，比如 sparc 系统，如果取未对齐的数据会发生错误。

内存对齐是编译器对程序中数据的内存分配的一种优化方式。内存对齐的目的是为了提高内存系统的性能，减少内存访问的次数，从而提高程序的性能。

• sizeof 运算符用于计算一个对象或类型所占的内存空间大小（以字节为单位）。在 C++ 中，为了提高访问内存的效率，编译器会对结构体中的成员进行内存对齐。
• 提高访问内存的速度：现代处理器对内存的访问往往是按块进行的，如果数据按对齐方式存放，可以减少访问次数，提高效率。
• 兼容不同的硬件平台：不同的硬件平台对数据对齐的要求可能不同，内存对齐可以保证程序在不同平台上的兼容性。

struct 内存对齐代码示例 ​

编译器优化 ​

main.cpp

#include <iostream>
using namespace std;

struct X1
{
  int i;    //4 个字节
  char c1;  //1 个字节
  char c2;  //1 个字节
};

struct X2
{
  char c1;  //1 个字节
  int i;    //4 个字节
  char c2;  //1 个字节
};

struct X3
{
  char c1;  //1 个字节
  char c2;  //1 个字节
  int i;    //4 个字节
};

int main()
{   
    cout<<"long "<<sizeof(long)<<"\n";
    cout<<"float "<<sizeof(float)<<"\n";
    cout<<"int "<<sizeof(int)<<"\n";
    cout<<"char "<<sizeof(char)<<"\n";

    X1 x1;
    X2 x2;
    X3 x3;

    cout<<"x1 的大小 "<<sizeof(x1)<<"\n";
    cout<<"x2 的大小 "<<sizeof(x2)<<"\n";
    cout<<"x3 的大小 "<<sizeof(x3)<<"\n";
    return 0;
}

#include <iostream>
using namespace std;

struct X1
{
  int i;    //4 个字节
  char c1;  //1 个字节
  char c2;  //1 个字节
};

struct X2
{
  char c1;  //1 个字节
  int i;    //4 个字节
  char c2;  //1 个字节
};

struct X3
{
  char c1;  //1 个字节
  char c2;  //1 个字节
  int i;    //4 个字节
};

int main()
{   
    cout<<"long "<<sizeof(long)<<"\n";
    cout<<"float "<<sizeof(float)<<"\n";
    cout<<"int "<<sizeof(int)<<"\n";
    cout<<"char "<<sizeof(char)<<"\n";

    X1 x1;
    X2 x2;
    X3 x3;

    cout<<"x1 的大小 "<<sizeof(x1)<<"\n";
    cout<<"x2 的大小 "<<sizeof(x2)<<"\n";
    cout<<"x3 的大小 "<<sizeof(x3)<<"\n";
    return 0;
}

输出

long 8
float 4
int 4
char 1
x1 的大小 8
x2 的大小 12
x3 的大小 8

long 8
float 4
int 4
char 1
x1 的大小 8
x2 的大小 12
x3 的大小 8

内存对齐规则 ​

• 由于在 x86 下，GCC 默认按 4 字节对齐，但是可以使用__attribute__选项改变对齐规则，vs studio 上用#pragma pack (n) 方式改变
• 结构体成员的地址必须是其类型大小的整数倍。例如，int 型变量的地址必须是 4 的倍数。
• 基本数据类型：long、float、int、char 在 32 位系统中通常分别占用 4、4、4、1 字节。

输出结果分析 ​

为什么会出现这样的输出？ 是由于在 C++ 中，为了提高访问内存的效率，编译器会对结构体中的成员进行内存对齐。

• 内存对齐是导致结构体大小与成员类型大小之和不一致的主要原因。
• 编译器会根据不同的数据类型和系统设置进行内存对齐，以优化程序性能。
• 结构体成员的排列顺序会影响结构体的大小。

结构体 X1、X3 ​

• x1：int 占 4 字节，每个 char 各占 1 字节。为了对齐，编译器会在 char c2 后面再填充 2 个字节，使得 int i 的地址是 4 的倍数。因此，整个结构体占 $4+(1+1+2)=8$ 字节。

• x3：与 x1 类似，在 char c2 后面填充 2 个字节，总共也是 $(1+1+2)+4=8$ 字节。

结构体 X2 ​

• x2：char c1 占 1 字节，int i 占 4 字节。为了对齐，编译器会在 int i 后面填充 3 个字节，使得 char ch2 的地址是 1 的倍数。然后，为了使整个结构体的长度是 4 的倍数，又在 char c2 后面再填充 3 个字节。因此，整个结构体占 $(1+3)+4+(1+3)=12$ 字节。

代码优化建议 ​

合理安排成员顺序：将占用字节数大的成员放在前面，可以减少填充字节的数量，从而减小结构体的大小。

取消内存对齐 ​

在某些情况下，可以使用#pragma pack 指令来控制结构体的对齐方式，但过度使用可能会降低程序性能。 示例：

#include <iostream>
using namespace std;

struct X1
{
  int i;    //4个字节
  char c1;  //1个字节
  char c2;  //1个字节
};

#pragma pack(1)
struct X2
{
  char c1;  //1个字节
  int i;    //4个字节
  char c2;  //1个字节
};
#pragma pack()

struct X3
{
  char c1;  //1个字节
  char c2;  //1个字节
  int i;    //4个字节
};

int main()
{   
    cout<<"long "<<sizeof(long)<<"\n";
    cout<<"float "<<sizeof(float)<<"\n";
    cout<<"int "<<sizeof(int)<<"\n";
    cout<<"char "<<sizeof(char)<<"\n";

    X1 x1;
    X2 x2;
    X3 x3;
    cout<<"x1 的大小 "<<sizeof(x1)<<"\n";
    cout<<"x2 的大小 "<<sizeof(x2)<<"\n";
    cout<<"x3 的大小 "<<sizeof(x3)<<"\n";
    return 0;
}

#include <iostream>
using namespace std;

struct X1
{
  int i;    //4个字节
  char c1;  //1个字节
  char c2;  //1个字节
};

#pragma pack(1)
struct X2
{
  char c1;  //1个字节
  int i;    //4个字节
  char c2;  //1个字节
};
#pragma pack()

struct X3
{
  char c1;  //1个字节
  char c2;  //1个字节
  int i;    //4个字节
};

int main()
{   
    cout<<"long "<<sizeof(long)<<"\n";
    cout<<"float "<<sizeof(float)<<"\n";
    cout<<"int "<<sizeof(int)<<"\n";
    cout<<"char "<<sizeof(char)<<"\n";

    X1 x1;
    X2 x2;
    X3 x3;
    cout<<"x1 的大小 "<<sizeof(x1)<<"\n";
    cout<<"x2 的大小 "<<sizeof(x2)<<"\n";
    cout<<"x3 的大小 "<<sizeof(x3)<<"\n";
    return 0;
}

输出为

long 8
float 4
int 4
char 1
x1 的大小 8
x2 的大小 6
x3 的大小 8

long 8
float 4
int 4
char 1
x1 的大小 8
x2 的大小 6
x3 的大小 8

上面的代码会强制将结构体 X2 中的成员按 1 字节对齐，从而减少结构体的大小。但是，需要注意的是，这种方式可能会降低程序性能，因此需要谨慎使用。

• struct 的内存对齐规则
• 内存对齐