一、引言

在C++編程中，內(nèi)存對齊是一個重要的概念，它關(guān)乎于數(shù)據(jù)在內(nèi)存中如何布局以提高訪問效率。C++11標準引入了兩個關(guān)鍵的特性來支持內(nèi)存對齊：alignof和alignas。這兩個特性提供了對內(nèi)存對齊的直接控制，讓開發(fā)者能夠更好地優(yōu)化程序性能。本文將深入介紹alignof和alignas的相關(guān)知識，幫助小白從入門到精通。

二、內(nèi)存對齊的概念和作用

2.1 什么是內(nèi)存對齊

內(nèi)存對齊是指數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲地址必須滿足特定的對齊要求，通常是該類型大小的倍數(shù)。例如，int類型通常對齊到4字節(jié)邊界，double類型通常對齊到8字節(jié)邊界。內(nèi)存對齊是一個整數(shù)，意味著該數(shù)據(jù)成員地址只能位于內(nèi)存對齊的倍數(shù)上，而對齊之間的未使用空間被稱為填充數(shù)據(jù)。

以下代碼展示了內(nèi)存對齊的現(xiàn)象：

#include <iostream>
using namespace std;struct HowManyBytes{char     a;int      b;
};int main() {cout << "sizeof(char): " << sizeof(char) << endl;cout << "sizeof(int): " << sizeof(int) << endl;cout << "sizeof(HowManyBytes): " << sizeof(HowManyBytes) << endl;cout << endl;cout << "offset of char a: " << offsetof(HowManyBytes, a) << endl;	//0cout << "offset of int b: " << offsetof(HowManyBytes, b) << endl;	//4return 0;
}

在上述代碼中，成員a占1個字節(jié)，成員b占4字節(jié)，但結(jié)構(gòu)體HowManyBytes的大小為8字節(jié)，這是因為C/C++對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有著對齊要求，b的位置為4而不是1，a之后的1、2、3三個字節(jié)為填充數(shù)據(jù)。

2.2 內(nèi)存對齊的優(yōu)勢

內(nèi)存對齊主要有以下兩點優(yōu)勢：

• 跨平臺：有些平臺要求內(nèi)存對齊，否則程序無法運行。不同硬件平臺對存儲空間的處理上存在很大的不同，某些平臺對特定類型的數(shù)據(jù)只能從特定地址開始存取，而不允許其在內(nèi)存中任意存放。例如Motorola 68000處理器不允許16位的字存放在奇地址，否則會觸發(fā)異常，因此在這種架構(gòu)下編程必須保證字節(jié)對齊。
• 性能：內(nèi)存對齊有利于提高數(shù)據(jù)緩存速度。盡管內(nèi)存是以字節(jié)為單位，但是大部分處理器并不是按字節(jié)塊來存取內(nèi)存的，它一般會以雙字節(jié)、四字節(jié)、8字節(jié)、16字節(jié)甚至32字節(jié)為單位來存取內(nèi)存，我們將上述這些存取單位稱為內(nèi)存存取粒度。假如沒有內(nèi)存對齊機制，數(shù)據(jù)可以任意存放，處理器在讀取數(shù)據(jù)時可能需要進行多次內(nèi)存訪問才能獲取完整的數(shù)據(jù)，這會顯著降低性能。而合理的內(nèi)存對齊可以減少CPU的內(nèi)存訪問開銷，提高程序的運行效率。

三、alignof運算符

3.1 定義和作用

alignof是一個操作符，用于查詢類型或變量的對齊要求。它返回一個std::size_t類型的值，表示類型或變量的對齊字節(jié)數(shù)。在C++11之前，對齊方式是無法得知的，只能自己判斷，且不同的平臺實現(xiàn)方式可能不同，而alignof操作符可以讓開發(fā)者在編譯期確定某個數(shù)據(jù)類型的內(nèi)存對齊要求。

3.2 語法規(guī)則

alignof的語法非常簡單，其基本形式為：

alignof(type);

其中type是要查詢對齊要求的類型，可以是基本類型、結(jié)構(gòu)體、類等。例如：

#include <iostream>struct MyStruct {char c;int i;
};int main() {std::cout << "Alignment of char: " << alignof(char) << std::endl;std::cout << "Alignment of int: " << alignof(int) << std::endl;std::cout << "Alignment of MyStruct: " << alignof(MyStruct) << std::endl;return 0;
}

在上述代碼中，alignof(char)返回char類型的對齊字節(jié)數(shù)，通常為1；alignof(int)返回int類型的對齊字節(jié)數(shù)，通常為4；alignof(MyStruct)返回結(jié)構(gòu)體MyStruct的對齊字節(jié)數(shù)，取決于結(jié)構(gòu)體中最大對齊要求的成員，這里為4。

3.3 使用示例

下面是更多關(guān)于alignof的使用示例：

#include <iostream>struct Foo {int   i;float f;char  c;
};struct Empty {};struct alignas(64) Empty64 {};int main() {std::cout << "Alignment of"  "\n""- char             : " << alignof(char)    << "\n""- pointer          : " << alignof(int*)    << "\n""- class Foo        : " << alignof(Foo)     << "\n""- empty class      : " << alignof(Empty)   << "\n""- alignas(64) Empty: " << alignof(Empty64) << "\n";return 0;
}

運行上述代碼，輸出結(jié)果如下：

Alignment of
- char             : 1
- pointer          : 8
- class Foo        : 4
- empty class      : 1
- alignas(64) Empty: 64

從輸出結(jié)果可以看出，alignof可以準確地查詢出不同類型的對齊要求。

3.4 注意事項

• 不支持獲取不完整類型或變量對齊值：C++11支持操作符alignof獲取定義完整類型的內(nèi)存對齊要求，但不支持獲取不完整類型或變量對齊值。例如：

#include <iostream>
using namespace std;class InComplete;
struct Completed{};int main() {int a;long long b;auto & c = b;char d[1024];// 對內(nèi)置類型和完整類型使用alignofcout << alignof(int) << endl;          //  4cout << alignof(Completed) << endl;   //  1// 對變量、引用或者數(shù)組使用alignof，以下代碼無法編譯// cout << alignof(a) << endl;// cout << alignof(b) << endl;// cout << alignof(c) << endl;// cout << alignof(d) << endl;// 本句無法通過編譯，Incomplete類型不完整// cout << alignof(InComplete) << endl;return 0;
}

• 跨平臺差異：不同編譯器和不同平臺對基本類型的默認對齊要求可能略有不同，因此使用alignof時需要注意平臺兼容性問題。

四、alignas說明符

4.1 定義和作用

alignas是一個對齊說明符，用于指定變量或類型的最小對齊要求。alignas可以用于變量聲明或類型定義中，以確保所聲明的變量或類型實例具有特定的對齊。它允許開發(fā)者顯式指定類型或?qū)ο蟮膶R方式，而不是依賴于編譯器的默認對齊方式。

4.2 語法規(guī)則

alignas的語法如下：

alignas(alignment) type variable;

其中alignment是一個整數(shù)或常量表達式，表示字節(jié)對齊數(shù)，type是聲明的類型，variable是變量。alignment必須是求值為零或合法的對齊或擴展對齊的整型常量表達式，且通常為2的冪次方（如1、2、4、8、16等）。例如：

struct alignas(16) MyStruct {int x;float y;
};

在上述代碼中，MyStruct被指定為16字節(jié)對齊，即每個MyStruct類型的對象都必須在內(nèi)存中以16字節(jié)對齊的方式存儲。

4.3 使用示例

下面是一些關(guān)于alignas的使用示例：

#include <iostream>// 每個 sse_t 類型的對象將會按照 32 字節(jié)的邊界對齊：
struct alignas(32) sse_t {float sse_data[4];
};// 數(shù)組 cacheline 將會按照 64 字節(jié)的邊界對齊：
using cacheline_t = alignas(64) char[64];
cacheline_t cacheline;int main() {sse_t x;std::cout << "Alignment of sse_t: " << alignof(sse_t) << std::endl;std::cout << "Address of x: " << &x << std::endl;std::cout << "Alignment of cacheline_t: " << alignof(cacheline_t) << std::endl;std::cout << "Address of cacheline: " << &cacheline << std::endl;return 0;
}

運行上述代碼，輸出結(jié)果如下：

Alignment of sse_t: 32
Address of x: 0x7ffef1f24c40
Alignment of cacheline_t: 64
Address of cacheline: 0x7ffef1f24c80

從輸出結(jié)果可以看出，x的地址是以32字節(jié)對齊的，cacheline的地址是以64字節(jié)對齊的，說明alignas成功地指定了類型的對齊要求。

4.4 注意事項

• 表達式要求：對于alignas(expression)，表達式必須是0或冪為2（1、2、4、8、16、…）的整型常量表達式。所有其他表達式的格式不正確，要么會被編譯器忽略掉。
• 不能修飾的對象：alignas不能應(yīng)用于函數(shù)形參或catch子句的異常形參。例如：

alignas(double) void f(); // 錯誤：alignas不能修飾函數(shù)

• 對齊要求不能削弱自然對齊：如果某個聲明上的最嚴格（最大）alignas比當它沒有任何alignas說明符的情況下本應(yīng)有的對齊更弱（即弱于其原生對齊，或弱于同一對象或類型的另一聲明上的alignas），那么程序非良構(gòu)。例如：

struct alignas(8) S {};
struct alignas(1) U { S s; }; // 錯誤：如果沒有 alignas(1) 那么 U 的對齊將會是 8

• 無效的非零對齊：無效的非零對齊，例如alignas(3)是非良構(gòu)的。同一聲明上，比其他alignas弱的有效的非零對齊被忽略，始終忽略alignas(0)。

五、alignof和alignas的結(jié)合使用

alignof和alignas可以結(jié)合使用，alignof可以用來驗證alignas設(shè)置的對齊是否生效。例如：

#include <iostream>struct alignas(16) MyStruct {int x;double y;
};int main() {std::cout << "alignof(MyStruct): " << alignof(MyStruct) << std::endl;return 0;
}

在上述代碼中，MyStruct被指定為16字節(jié)對齊，通過alignof(MyStruct)可以驗證其對齊要求確實為16字節(jié)。運行上述代碼，輸出結(jié)果如下：

alignof(MyStruct): 16

六、實際應(yīng)用場景

6.1 性能優(yōu)化

某些CPU架構(gòu)對未對齊訪問支持不好，強制對齊可以提升性能。在多媒體處理、科學計算和游戲開發(fā)等領(lǐng)域，正確的內(nèi)存對齊可以顯著提升數(shù)據(jù)處理速度。例如，在使用SIMD指令集時，需要將數(shù)據(jù)對齊到指定的字節(jié)邊界，否則可能會導致性能下降。

6.2 跨平臺開發(fā)

不同平臺的默認對齊可能不同，通過alignof可以統(tǒng)一判斷，使用alignas可以確保在不同平臺上都能滿足特定的對齊要求。例如，在進行跨平臺的數(shù)據(jù)傳輸時，為了保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性，需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的對齊處理。

6.3 內(nèi)存池設(shè)計

分配內(nèi)存時要考慮對齊，確保不同類型都能正確放置。在內(nèi)存池設(shè)計中，使用alignas可以保證分配的內(nèi)存塊滿足特定的對齊要求，提高內(nèi)存的使用效率。例如：

#include <iostream>
#include <cstddef>// 自定義內(nèi)存池類
class MemoryPool {
public:MemoryPool(std::size_t blockSize, std::size_t align) : blockSize_(blockSize), align_(align) {// 分配內(nèi)存pool_ = new char[blockSize_];// 調(diào)整內(nèi)存地址以滿足對齊要求char* alignedPool = reinterpret_cast<char*>(std::align(align_, blockSize_, pool_, blockSize_));if (!alignedPool) {throw std::bad_alloc();}current_ = alignedPool;}~MemoryPool() {delete[] pool_;}void* allocate(std::size_t size) {if (current_ + size <= pool_ + blockSize_) {void* result = current_;current_ += size;return result;}return nullptr;}private:char* pool_;char* current_;std::size_t blockSize_;std::size_t align_;
};int main() {// 創(chuàng)建一個1024字節(jié)、16字節(jié)對齊的內(nèi)存池MemoryPool pool(1024, 16);// 從內(nèi)存池中分配一個32字節(jié)的內(nèi)存塊void* ptr = pool.allocate(32);if (ptr) {std::cout << "Allocated memory address: " << ptr << std::endl;} else {std::cout << "Memory allocation failed." << std::endl;}return 0;
}

在上述代碼中，MemoryPool類用于管理一個內(nèi)存池，通過std::align函數(shù)調(diào)整內(nèi)存地址以滿足對齊要求，確保分配的內(nèi)存塊是對齊的。

6.4 與硬件通信

在與硬件直接交互的編程中，如驅(qū)動開發(fā)或嵌入式系統(tǒng)編程，內(nèi)存對齊也是一個必須考慮的因素。例如，DMA（直接內(nèi)存訪問）或寄存器訪問時通常有嚴格的對齊要求，使用alignas可以確保數(shù)據(jù)滿足硬件的對齊要求，避免出現(xiàn)訪問錯誤。

七、總結(jié)

alignof和alignas是C++11中非常有用的特性，它們?yōu)殚_發(fā)者提供了對內(nèi)存對齊的直接控制。alignof用于查詢類型或變量的對齊要求，alignas用于指定變量或類型的最小對齊要求。合理使用alignof和alignas可以提高程序的性能，特別是在需要高性能優(yōu)化的代碼中，如多媒體處理、科學計算和游戲開發(fā)等領(lǐng)域。同時，在跨平臺開發(fā)、內(nèi)存池設(shè)計和與硬件通信等場景中，alignof和alignas也能發(fā)揮重要作用。在使用alignof和alignas時，需要注意其語法規(guī)則和使用限制，以確保代碼的正確性和可移植性。希望本文能夠幫助你深入理解和掌握C++11中alignof和alignas的使用方法。