【C++】字节对齐—alignof/alignas和#pragma pack(n）
0. 为什么要字节对齐
（1）是什么？
每个变量（结构体的成员）都有“摆放要求”：“我必须放在 编号是 N 的倍数 的货架格子上。”。N 就是它的 对齐值 alignof(T)。
//字节自然对齐时
//int x 对齐到 4，放在 4~7：
[ 第0排 ] [ 第1排 ]
0 1 2 3 | 4 5 6 7 | 8 9 10 11
↑___________↑
一次就能搬走（4 字节）
//叉车（CPU）一趟就把 4 5 6 7 整排端走，不横跨。
//字节没有对齐时
//把同一个 int 故意放到 3~6：
[ 第0排 ] [ 1 排 ]
0 1 2 3 | 4 5 6 7 | 8 9 10 11
↑_______↑
3 4 5 6 ← 这个 int 占用两排
//第 0 排里有 3 号字节
//第 1 排里有 4 5 6 号字节
//叉车一次只能搬一排，于是：
//先搬第 0 排，把 3 号字节捡起来；
//再搬第 1 排，把 4 5 6 捡起来；
//最后还要在 CPU 内部把碎片拼成完整的 4 字节。
//CPU取两次，性能减半。
（2）为什么要有这条规则？
因为CPU一次只能搬 4、8、16……字节的作为一个单元货；
如果结构体的存储横跨两个单元，CPU要取两次，甚至直接翻车（硬件异常）。
所以需要内存对齐。
（3）自然字节对齐
没有显式通过 alignas 修改的情况下，结构体的对齐方式是由其 【最大对齐成员】（alignof） 决定的。
struct MyStruct1
{
char a; // 1 byte
int b; // 4 byte
double c; // 8 byte
};
//最大对齐成员是 double c，对齐为 8 字节。
//所以 alignof(MyStruct1) 是 8。
//编译器会自动插入填充字节，使得整个结构体大小为 16 字节（不是 32）。
（4）sizeof(T)最终长度
- 无论自然对齐还是
alignas(N)，最终大小一定是其对齐值的整数倍，并且是在“刚好能装下所有成员”的前提下最小的那个倍数。 - 自然对齐同样满足这句话，只不过把 N 换成“该类型自己的自然对齐值”而已。
- 自然对齐时，编译器在【成员之间或结构体末尾】插入若干字节，目的：使下一个成员／数组元素满足对齐要求。
- alignas(N) 时，【只在末尾】再补 0…N−1 字节，让 sizeof(T) 升为 N 的倍数。
1. alignof和alignas
alignas 和 alignof 是 C++11 引入的两个关键字，用于控制变量（如果是结构体的话，就是【整个结构体起始地址】）的内存对齐。
对齐值必须是2的幂。
（1）alignof
作用：查询类型（结构体的话，是其最大成员）的自然对齐对齐值。
语法：alignof(Type)
返回值：std::size_t，表示该类型必须对齐到的字节边界。
#include <iostream>
#include <cstddef>
int main()
{
std::cout << "alignof(int) = " << alignof(int) << '\n';
std::cout << "alignof(double) = " << alignof(double) << '\n';
struct MyStruct1
{
char a;
int b;
};
std::cout << "sizeof(MyStruct1)=" << sizeof(MyStruct1) << "\n"; //最大成员b的内存对齐为4
struct MyStruct2
{
char a;
int b;
double c;
};
std::cout << "sizeof(MyStruct2)=" << sizeof(MyStruct2) << "\n"; //最大成员c的内存对齐为8
}
（2）alignas
作用：显式修改某个变量的对齐值（结构体的话，结构体整体的起始地址），按指定字节数对齐（也会影响sizeof）。。
语法：alignas(N)，其中 N 必须是 2 的幂（如 1, 2, 4, 8, 16...），CPU读取的小单元字节数。
用途：优化性能、满足硬件要求、与底层接口对齐等。
#include <iostream>
#include <cstddef>
//自然对齐
struct MyStruct1
{
char a;
int b;
double c;
};
//MyStruct2整体必须从32字节倍数的内存开始
struct alignas(32) MyStruct2
{
char a;
int b;
};
int main()
{
MyStruct1 s1;
std::cout << "sizeof(MyStruct1)=" << sizeof(MyStruct1) << "\n";
std::cout << "alignof(MyStruct1) = " << alignof(MyStruct1) << '\n';
std::cout << "address of s1 = " << &s1 << '\n';
MyStruct2 s2;
std::cout << "sizeof(MyStruct2)=" << sizeof(MyStruct2) << "\n";
std::cout << "alignof(MyStruct2) = " << alignof(MyStruct2) << '\n';
std::cout << "address of s2 = " << &s2 << '\n';
}
注意：实际是设定小单元的字节数，变量起始地址对齐到N时，编译器会在【结构体末尾】补 0~N-1 字节，使得 sizeof(T) = ≥ 实际成员大小的最小 N 的倍数，但不是简单地就等于 N
#include <iostream>
#include <cstddef>
struct alignas(32) S { char c[48]; };
int main()
{
std::cout << sizeof(S) << '\n'; // 输出 64
std::cout << alignof(S) << '\n'; // 输出 32
}
//成员实际占用：48 字节
//对齐要求：32 字节
//48 ÷ 32 = 1 余 16 → 不够整除
//下一个 32 的倍数：64
//所以编译器在末尾再补 16 字节
| 原大小 | alignas(N) | 最终 sizeof |
|---|---|---|
| 48 | 32 | 64 |
| 31 | 32 | 32 |
| 32 | 32 | 32 |
| 33 | 32 | 64 |
2. pragma pack(n)
预处理器指令，显式控制编译器对齐策略。
强制将结构体成员按照指定字节数对齐。
pragma pack()省内部空间，牺牲性能。网络协议、文件头常用 pack(1) 或 pack(2)
(1) 和alignof、alignas的区别：
- alignof/alignas是C++11起的标准。而pragma pack(n)是编译器的打包控制。
- alignas控制：整个结构体的起始地址对齐， 不改变成员间布局。
pragma pack控制：成员间的填充（padding），会改变成员布局。
（2）举例说明
pragma pack(n)：强行降低“包裹”摆放要求。
n 越小，越紧凑，空间省，可能未对齐访问。
下面把
#pragma pack(push, 1)
struct FooPacked
{
char c; // 1
int i; // 4
double d; // 8
};
#pragma pack(pop)
在内存里 逐字节 画出来，一看就懂“pack(1) 把填充全部挤掉”长什么样
- “自然对齐”长什么样（无 pack）
偏移 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
|c|x|x|x|i|i|i|i|x|x|x|x|x|x|x|x|d|...（再 8 字节）
1 3 废 4 8 废（对齐到 8）→ 共 24 字节
alignof = 8sizeof = 24
- 加上 #pragma pack(push, 1) 之后
规则：所有成员只按 1 字节对齐，中间和尾部都不插废字节。
偏移 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
|c|i|i|i|i|d|d|d|d|d|d|d|d|
1 4 8
- 没有任何“x”废字节
- 总大小 = 1 + 4 + 8 = 13 字节
alignof(FooPacked) = 1- 如果放在数组里，下一个元素直接从偏移 13 开始，不一定落在 8 的倍数，
访问d时可能横跨两个 8 字节缓存行，甚至触发总线错误（ARM/MIPS）。
浙公网安备 33010602011771号