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C++ 内存对齐：alignas 与 alignof

article 2024/11/4 22:27:50

一、什么是内存对齐？

内存对齐是指数据在内存中按照特定的字节边界存储。一般情况下，处理器从内存读取数据时会更高效地读取对齐的数据。如果数据未对齐，处理器可能需要进行额外的内存访问，导致性能下降。对于某些平台，不对齐的内存访问甚至可能引发未定义行为。

通常，C++ 编译器会根据目标平台自动对变量进行内存对齐，确保类型的内存地址是适当的对齐边界。但有时，开发者需要对内存对齐进行精确控制，比如优化性能、与硬件设备交互等场景，这就是 alignas 和 alignof 的用武之地。

二、alignas：显式指定对齐要求

基本用法

alignas 关键字允许我们显式指定变量、对象、结构体或类的对齐要求。通过 alignas，可以将数据对齐到指定的字节边界。语法如下：

alignas(alignment) type variable;

alignment：一个整数常量，指定对齐字节数，必须是2的幂（如 2, 4, 8, 16 等）。
type：变量或类型的声明。

示例：为变量指定对齐

下面的代码展示了如何为变量指定对齐要求：

#include <iostream>#include <cstddef>
int main() {    
    alignas(16) int data[4];  // data 数组的对齐要求是 16 字节    
    std::cout << "data 对齐字节数: " << alignof(decltype(data)) << std::endl;  // 输出 16    
    return 0;
}

在这个例子中，数组 data 的对齐被显式指定为 16 字节。通常，数组会根据其元素类型自动对齐，但在此我们显式要求数组在内存中的对齐方式。

示例：为结构体成员指定对齐

我们还可以使用 alignas 指定结构体成员的对齐方式，以满足更复杂的内存布局需求：

#include <iostream>#include <cstddef>
struct MyStruct {    
    char a;    
    alignas(16) double b;  // double b 对齐到 16 字节    
    int c;
};
int main() {    
    std::cout << "MyStruct 的对齐字节数: " << alignof(MyStruct) << std::endl;  // 输出 16    
    return 0;
}

在此例中，虽然 double 类型通常需要 8 字节对齐，但我们使用 alignas 将其对齐到 16 字节。这种控制对性能优化或与硬件交互特别有用。

使用类型作为对齐要求

alignas 还可以与类型结合使用，指定变量的对齐方式与另一种类型相同。例如：

struct alignas(double) AlignedStruct {    
    int x;    
    double y;
};

在这个例子中，AlignedStruct 的对齐方式将与 double 类型相同，即通常为 8 字节。

常见应用场景

性能优化：在高性能计算场景中，合理的内存对齐可以显著提升程序性能。例如，使用 SIMD（单指令多数据）指令集的处理器通常要求数据以 16 字节或更高对齐。
硬件接口：当与硬件设备交互时，硬件可能要求数据按照特定的字节边界对齐。这时，alignas 可以帮助开发者满足硬件对齐要求，避免读取或写入错误。

三、alignof：查询类型的对齐要求

基本用法

alignof 关键字用于查询某种类型或对象的对齐方式，返回一个 std::size_t 值，表示该类型需要的对齐字节数。语法如下：

alignof(type)

type：要查询对齐方式的类型。

示例：查询基本类型的对齐要求

#include <iostream>
int main() {
    std::cout << "int 的对齐字节数: " << alignof(int) << std::endl;
    std::cout << "double 的对齐字节数: " << alignof(double) << std::endl;    
    std::cout << "char 的对齐字节数: " << alignof(char) << std::endl;    
    return 0;
    }

输出结果通常为：

int 的对齐字节数: 4 
double 的对齐字节数: 8 
char 的对齐字节数: 1

示例：查询自定义类型的对齐要求

我们还可以查询自定义类型的对齐要求：

struct alignas(16) CustomType {
    int a;    
    double b;
};
int main() {
    std::cout << "CustomType 的对齐字节数: " << alignof(CustomType) << std::endl;  // 输出 16    
    return 0;
}

通过这种方式，我们可以轻松了解类型的内存对齐需求，从而在内存分配或数据布局时做出更好的决策。

在模板编程中的应用

alignof 在模板编程中尤为实用，特别是当我们希望根据类型的对齐方式动态调整数据结构或算法时：

#include <iostream>
template <typename T>
void print_alignment() {
    std::cout << alignof(T) << " 字节" << std::endl;
}
int main() {
    print_alignment<int();      // 输出 4    
    print_alignment<double();   // 输出 8    
    print_alignment<CustomType>(); // 输出 16    
    return 0;
}

这种动态查询的方式可以让我们的代码更加灵活和通用。

四、alignas 和 alignof 的配合使用

在某些场景中，alignas 和 alignof 可以结合使用。我们可以使用 alignof 来确定系统中某个类型的对齐要求，并通过 alignas 将其他数据对齐到相同的标准。

示例：动态确定对齐方式

#include <iostream>
#include <cstddef>
template <typename T>
struct AlignedStorage {
    alignas(alignof(T)) 
    char storage[sizeof(T)];
 };
int main() {
    AlignedStorage<intalignedInt;    
    std::cout << "AlignedStorage<int> 对齐字节数: " << alignof(decltype(alignedInt)) << std::endl;    
    return 0;
 }

在这个例子中，我们通过模板动态确定类型 T 的对齐要求，并使用 alignas 为存储空间 storage 提供正确的对齐方式。