C++11 中的内存对齐：alignas 与 alignof

alignas 和 alignof 是 C++11 引入的两个关键字，它们与内存对齐相关，帮助开发者控制和查询数据的内存对齐方式。内存对齐可以提高访问数据时的性能，特别是在处理硬件层面要求严格的场景下。

1. alignas

alignas 是一个声明说明符，用来设置类型或对象的对齐方式。它允许开发者显式指定类型或对象的对齐方式，而不是依赖于编译器的默认对齐方式。

语法：

alignas(alignment) type variable;

其中 alignment 是一个整数或常量表达式，表示字节对齐数，type 是声明的类型，variable 是变量。

用法示例：

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

在这个例子中，MyStruct 被指定为16字节对齐，即每个 MyStruct 类型的对象都必须在内存中以16字节对齐的方式存储。

作用：

• 对齐要求提升：对于某些硬件架构，特定数据类型（如 SIMD 向量）可能要求以某种特殊的对齐方式存储，alignas 可以确保对象满足这些要求。
• 性能优化：合理使用对齐可以减少 CPU 的内存访问开销，提高程序的运行效率。

alignas 使用示例：

#include <iostream>
#include <cstddef>  // for offsetof

struct alignas(32) MyVector {
    float data[8];
};

int main() {
    MyVector v;
    std::cout << "Alignment of MyVector: " << alignof(MyVector) << std::endl;
    std::cout << "Address of v: " << &v << std::endl;
    return 0;
}

这个程序会输出 MyVector 的对齐方式（32字节）和对象 v 在内存中的地址，它通常是32的倍数。

---

2. alignof

alignof 是一个表达式操作符，用来返回类型或对象的对齐要求（以字节为单位）。可以理解为查询某个类型或对象的对齐方式。它通常用来检查系统默认的对齐策略。

语法：

alignof(type)

用法示例：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Alignment of int: " << alignof(int) << std::endl;
    std::cout << "Alignment of double: " << alignof(double) << std::endl;
    std::cout << "Alignment of long long: " << alignof(long long) << std::endl;
    return 0;
}

输出的结果会显示不同类型的数据在内存中的对齐方式，例如 int 可能是 4 字节，double 可能是 8 字节，long long 也是 8 字节。

作用：

• 查询对齐：开发者可以用 alignof 来查询特定类型的默认对齐方式。
• 硬件兼容性：有些硬件或库对某些类型的数据有特定的对齐要求，alignof 可以帮助检查这些要求是否满足。

alignof 和 sizeof 区别：

• sizeof 返回的是类型或对象占用的字节数。
• alignof 返回的是类型或对象的对齐要求，即在内存中该类型或对象如何对齐。

---

alignas 和 alignof 结合使用：

#include <iostream>

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

int main() {
    MyStruct s;
    std::cout << "Alignof MyStruct: " << alignof(MyStruct) << std::endl;
    std::cout << "Sizeof MyStruct: " << sizeof(MyStruct) << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，MyStruct 被指定为16字节对齐，alignof(MyStruct) 会返回16，而 sizeof(MyStruct) 会根据对齐规则返回 MyStruct 实际占用的内存大小。

---

内存对齐概念：

内存对齐是指数据在内存中的存储地址必须满足特定的对齐要求，通常是该类型大小的倍数。例如，int 类型通常对齐到4字节边界，double 类型通常对齐到8字节边界。

对齐的原因主要有以下几个方面：

1. 硬件访问限制：某些硬件平台要求数据必须按特定边界对齐，否则会引发异常。
2. 性能优化：CPU读取未对齐的数据可能需要更多的内存访问和处理步骤，降低性能。

---

总结：

• **alignas**：用于显式设置类型或对象的对齐方式。
• **alignof**：用于查询类型或对象的对齐要求。
• 内存对齐：是硬件、性能优化和正确性保证的重要机制，合理的对齐方式有助于提高程序性能。

alignas 可以帮助程序员在需要特殊对齐的场合手动指定对齐方式，而 alignof 则提供了一种机制来检查编译器为类型选择的对齐方式。