为什么要内存对齐

内存对齐

初步认识

内存对齐是什么？从下面的代码可以比较直观地有一个简单的认识：

#include <iostream>

using namespace std;

struct s1 {
    int i;
    char c1;
    char c2;
};

struct s2 {
    char c1;
    int i;
    char c2;
};

struct s3 {
    char c1;
    char c2;
    int i;
};

int main(int argc, const char* argv[]) {
    cout << sizeof(s1) << endl;
    cout << sizeof(s2) << endl;
    cout << sizeof(s3) << endl;
} 

上面的代码输出如下：

• s1为8字节：
  • i：4字节
  • c1：1字节
  • c2：1字节+2填充字节
• s2为12字节：
  • c1：1字节+3填充字节
  • i：4字节
  • c2：1字节+3填充字节
• s3为8字节：
  • c1：1字节
  • c2：1字节+2填充字节
  • i：4字节

原因探究

简单来看，主要是以下两个原因：

• 性能优化：大多数现代处理器都要求数据按照特定的边界对齐，因为寄存器只能从能整除以4的地址开始读取数据（一次读取4字节(32位)或8字节(64位)），为什么寄存器这样设计，也是为了能够并行处理，加快内存访问。
• 硬件要求：某些处理器对于未对齐的/内存访问是禁止的，可能导致错误

我们主要研究第一个原因性能优化，就拿上面的代码中的结构体s2来说，如果内存没有对齐，假设内存是如下分布的：

如果要读取变量i，就需要进行两次读取操作，然后再获取到变量i的值

如果内存是对齐的，则内存如下分布：

如果要读取变量i，只需要进行一次读取操作：

所以可以看出，内存对齐是真的可以加快内存的访问，提高性能。

口头回答： 为什么内存不对齐，就有可能导致额外的读取操作？（读取6字节数据和8字节数据，为什么读取8字节的性能就更高？）

因为寄存器只能从能整除以4的地址开始读取，也就是内存地址被一个一个的边界进行”分割“，且寄存器只能从这一个一个边界开始读取数据，内存不对齐有可能导致数据的存放刚好被边界分成两边，这样就得读取边界的左边和右边，才能把这个数据读取完整。

取消内存对齐

这里主要讨论在C/C++中，如果对结构体取消默认的内存对齐

使用#pragma pack指令：

#include <iostream>

#pragma pack(1)

struct A {
    char a; // 1字节
    int b; // 4字节
    short c; // 2字节
};

#pragma pack() // 恢复默认对齐

int main() {
    std::cout << sizeof(A) << std::endl;
    return 0;
}

使用alignas关键字： C++11引入，然而，alignas只能用于增加对齐要求，不能用于减少对齐要求，因此无法通过alignas取消内存对齐

#include <iostream>

struct alignas(8) A {
    char a;
    int b;
    short c;
};

int main() {
    std::cout << sizeof(A) << std::endl;
    return 0;
}