回首遥望-C++内存对齐的思考

这一章节主要巩固一下学习C/C++时内存对齐相关的内容！

什么是内存对齐？

这里不提及一堆啰嗦概念，就结合实际出发！在开发C++程序时，与内存接触较多，当定义一个结构体时，我们以为他是XX字节，结果不是，请看下图：

新手刚学习肯定会认为他是6字节，int四个字节，char是1字节，4+1+1=6，但是在VS2022 X64平台默认下，我们看看他是多少字节！

当我们把鼠标悬浮在struct名字上就会自动弹出悬浮框，告诉我们是8Byte！这就是内存对齐从而对结构体大小产生的影响！

其实内存对齐本质上就是，Visual Stdio平台给结构体留了一些空白的Padding间隙！【注意，有时VS的悬浮框的数值不一定准确，可以sizeof打印观看】

为什么要有内存对齐？

先说结论，两个方面：

• 1、为了读写效率
• 2、为了平台兼容性

​ 这里需要对计算机体系有个基本了解，但是不废话，咱们大白话直白平铺。当CPU需要读写内存数据，需要通过地址总线、数据总线的辅助，传递地址数据和获取真正内存数据！不同计算机平台这些所谓的总线宽度是不同的！

​ 假设在大多数32位cpu中，所谓这些总线宽度是32位，也就是4字节长度！也就代表真正一次能够读取的数据最多就是4个字节！

​ 上一段说，既然一次最多读取4个字节数据，那地址的编号，咱们就4个字节依次对地址编号，第1个4个字节内存的地址叫0，第2个4个字节内存的地址叫1，依次递增，如下图：

既然都已经编号成这样了，那你说他可能会访问所谓的0.5地址编号的内存吗？所以这里有两种取舍：

• 1、压根不支持这样读写
• 2、支持，但是需要分两次读写

如果是第一种情况，正好解释了内存对齐原因的第二点：为了平台兼容性！因为只支持4Byte对齐的读写，所以不对齐不行啊，这个理由可否？

咱们来看看第二种情况，咱们假设CPU支持，那么如果要读0.5位置的4Byte数据，CPU怎么办？

其实它还是一样不能直接读取不了0.5位置的数据，但是可以读两次，第一次读0编号，第二次读1编号，最后分别都拿一点数据，然后拼起来！如下图示意：

我们直观的感受到，既要读多次，又要进行数据拆分和拼接的计算过程，很显然，没有一次性直接读出来来的高效！

这也验证了为什么要内存对齐的第一个方面：为了读写效率！

如何进行内存对齐？

​ 这里结合网上的帖子和自己的实验验证，直接给出内存对齐规则以及相应名词介绍！

前置名词介绍：

• 默认对齐系数
• 成员有效对齐值
• 结构体最大对齐值

什么是默认对齐系数？

​ 它是一个数字，每个特定平台的编译器有自己的默认“对齐系数”，这里以Visual Stdio 2022的测试为例，X86默认对齐系数是8，X64默认值是16。

如何查看的呢？通过VS提供的指令：#pragma pack(show) 可以在编译时，作为warning信息显示出，如下图：

什么是成员有效对齐值？

​ 它也是一个数字，以结构体来说，结构体每个成员都有自己的有效对齐值，计算公式：有效对齐值 = min{默认对齐系数， 变量类型字节长度}！

举个例子：

简单易懂，因为int类型，字节长度4，所以有效对齐 = min{4, 16} = 4，16是当前平台的默认对齐系数！

什么是结构体最大对齐值？

​ 它也是一个数字，上一节说了，既然结构体每个成员都有一个有效对齐值，那么最大的那个数字就是结构体最大对齐值！

举个例子：

前置名词介绍完了，咱们上正菜，内存对齐规则：

简单结构体的内存对齐规则：

1、结构体第一个成员的位置偏移为0！

2、结构体非第一个成员的位置偏移，是该成员有效对齐值的整数倍！【因为此限制，自然会和上一变量位置可能有空白Padding】

3、结构体总大小是结构体最大对齐值的整数倍！【因为此限制，结构体末尾是可能存在空白Padding】

举两个例子，辅助大家理解：

例1：

根据规则3，结构体最大对齐值为4，而如果仅仅三个变量大小和为6字节，所以尾部补充2字节的空白Padding！

例2：

应用规则2： 考虑第二个变量int i，因为它的有效对齐值为4字节，所以距离第一个成员留有3字节的空白Padding！

应用规则3： 三个成员+3字节Padding，一共是1 + 3 + 4 + 2 = 10字节，而最大对齐值是4字节，所以尾部补充2字节空白Padding！

上述说的都是不存在结构体复合嵌套的情况，其实嵌套了，规则也是类似，但是有一些需要注明的要求，如下：

嵌套结构体的内存对齐规则补充：

1、结构体第一个成员的位置偏移为0！

2、结构体非第一个成员的位置偏移，是该成员有效对齐值的整数倍！

【如果是结构体类型成员，则该成员的有效对齐值是成员对应结构体类型自身的最大对齐值】

3、结构体总大小是结构体最大对齐值的整数倍！

举两个例子，辅助大家理解：

例1：

T1不多赘述，重点解释下T2中的b成员，也就是嵌套结构体成员类型！

在计算T2的b成员的有效对齐时，它并不是用T1的结构体大小和默认对齐值16取最小值，而是用该结构体类型的最大对齐值和默认对齐值取最小值，也就是T1的最大对齐值8和16取最小值为8作为b成员的有效对齐值！

例2：

大家好好品味品味吧！

致谢：

​ 今天的学习就到此为止啦，喜欢的小伙伴点点关注+赞哦！有问题及时留言！感谢大家Thanks♪(･ω･)ﾉ！我是火火，火一般的男人！