C++内存对齐

C++中的内存对齐是为了提高CPU访问内存的效率，确保数据位于特定地址倍数的位置。以下是对内存对齐的详细讲解：

1. 内存对齐的基本原则

• 对齐值（Alignment）：每个类型的对齐值通常是其大小（如int为4，double为8）与编译器默认对齐值中的较小者，除非使用alignas显式指定。
• 结构体/类的对齐值：取所有成员的最大对齐值，或显式指定的alignas值中的较大者。
• 总大小规则：结构体的总大小必须是其对齐值的整数倍。

2. 结构体内存布局示例

示例1：默认对齐

struct Example {
    char a;    // 1字节，对齐值1
    int b;     // 4字节，对齐值4
    double c;  // 8字节，对齐值8
};

• 内存布局：
  • a在地址0，占用1字节。
  • 填充3字节（地址1-3）以满足b的4字节对齐。
  • b在地址4-7。
  • c在地址8-15（8字节对齐）。
• 总大小：16字节（满足8字节对齐）。

示例2：调整成员顺序优化空间

struct Example2 {
    double c;  // 8字节
    int b;     // 4字节
    char a;    // 1字节
};

• 内存布局：
  • c在地址0-7。
  • b在地址8-11。
  • c在地址12。
  • 填充3字节（地址13-15）以满足c的内存对齐。
• 总大小：16字节.

示例3：未优化顺序导致更多填充

struct Example3 {
    char a;    // 1字节
    double c;  // 8字节
    int b;     // 4字节
};

• 内存布局：
  • a在地址0。
  • 填充7字节（地址1-7）以满足c的8字节对齐。
  • c在地址8-15。
  • b在地址16-19。
  • 填充4字节（地址20-23）以满足结构体对齐值8。
• 总大小：24字节。

3. 显式控制对齐

使用 #pragma pack(n)

#pragma pack(4) // 设置对齐值为4
struct Example4 {
    char a;
    double c; // 对齐值min(8,4)=4
    int b;
};

• 内存布局：
  • a在地址0。
  • 填充3字节（地址1-3）以满足c的4字节对齐。
  • c在地址4-11（8字节）。
  • b在地址12-15。
• 总大小：16字节（满足4字节对齐）。

使用 alignas 关键字

struct alignas(16) Example5 {
    int a; // 对齐值4，但结构体对齐值为16
};

• 总大小：16字节（填充12字节以满足对齐）。

4. 关键点总结

• 成员顺序：按对齐值从大到小排列成员可减少填充。
• 总大小计算：结构体大小必须是其对齐值的整数倍。
• 显式对齐控制：#pragma pack(n)降低对齐值，alignas可提高对齐值。
• 性能影响：未对齐访问可能导致性能下降或硬件异常。

5. 验证工具

• 使用sizeof()获取大小，alignof()获取对齐值。
• 示例：

  cout << sizeof(Example3) << " " << alignof(Example3) << endl; // 输出：24 8

理解内存对齐有助于优化内存使用和提升程序性能，尤其在处理硬件交互或网络协议时至关重要。