C++ 中的字节对齐（部分来自DeepSeek)

为什么要字节对齐

1. 性能原因

• 硬件优化：大多数 CPU 在访问对齐的内存地址时效率更高

• 减少内存访问次数：未对齐的数据可能需要多次内存访问才能读取完整

• 缓存效率：对齐的数据能更好地利用 CPU 缓存行

  例如，一个4字节的整数如果存储在4的倍数的地址上，那么处理器一次内存访问就可以读取它；如果存储在不对齐的地址，可能需要进行两次内存访问并组合数据。

2. 硬件要求

• 某些架构（如 ARM、SPARC）要求严格的内存对齐
• 未对齐访问可能导致硬件异常或性能严重下降

3. 原子操作

• 许多原子操作要求数据必须是对齐的

字节对齐的实现方式

1. 编译器默认对齐

struct MyStruct {
    char a;      // 1字节
    int b;       // 4字节
    short c;     // 2字节
};
// 在64位系统上，sizeof(MyStruct) 通常是12字节而不是7字节

2. 使用 alignas 指定对齐（C++11）

struct alignas(16) MyAlignedStruct {
    char a;
    int b;
    short c;
}; // 结构体整体按16字节对齐

alignas(32) int array[4]; // 数组按32字节对齐

3. 使用 #pragma pack 控制打包

#pragma pack(push, 1)  // 保存当前对齐，设置为1字节对齐
struct PackedStruct {
    char a;
    int b;
    short c;
}; // sizeof(PackedStruct) = 7字节
#pragma pack(pop)      // 恢复之前的对齐设置

4. 结构体成员对齐控制

struct OptimizedStruct {
    int a;       // 4字节
    int b;       // 4字节
    char c;      // 1字节
    // 编译器可能在这里插入3字节填充，使总大小为12字节
};

实际示例

#include <iostream>

struct DefaultStruct {
    char a;     // 偏移 0
    int b;      // 偏移 4 (不是1，因为有3字节填充)
    short c;    // 偏移 8
}; // 总大小12字节，有填充字节

struct alignas(16) AlignedStruct {
    char a;
    int b;
    short c;
}; // 总大小16字节

#pragma pack(push, 1)
struct PackedStruct {
    char a;     // 偏移 0
    int b;      // 偏移 1
    short c;    // 偏移 5
}; // 总大小7字节，无填充
#pragma pack(pop)

int main() {
    std::cout << "DefaultStruct size: " << sizeof(DefaultStruct) << std::endl;
    std::cout << "AlignedStruct size: " << sizeof(AlignedStruct) << std::endl;
    std::cout << "PackedStruct size: " << sizeof(PackedStruct) << std::endl;
    
    // 检查对齐要求
    std::cout << "DefaultStruct align: " << alignof(DefaultStruct) << std::endl;
    std::cout << "AlignedStruct align: " << alignof(AlignedStruct) << std::endl;
    
    return 0;
}

最佳实践

1. 按大小排序成员：将较大的成员放在前面可以减少填充
2. 谨慎使用 #pragma pack：可能影响性能和可移植性
3. 考虑缓存行：对于性能关键代码，按缓存行大小（通常64字节）对齐
4. 使用 alignof 检查对齐：alignof(Type) 获取类型的对齐要求

字节对齐是 C++ 中重要的底层优化技术，合理使用可以显著提升程序性能。

参考链接

c++结构体的字节对齐现象
【C++指南】C++中的内存对齐规则及原因详解
【烧脑技术贴】无法回避的字节对齐问题，从八个方向深入探讨(变量对齐，栈对齐，DMA对齐，结构体成对齐，Cache, RTOS双堆栈等)