内存对齐

内存对齐

内存对齐是一种硬件约定与编译器优化策略：要求数据在内存中的起始地址满足某个特定的对齐边界（通常是数据类型大小或其倍数的整数倍）。

为什么需要内存对齐

硬件访问限制与效率

不同平台对内存访问有不同要求：

平台	对未对齐访问的处理方式
x86（Intel）	可以访问未对齐地址，但效率低
ARM/MIPS/SPARC	访问未对齐地址可能直接触发异常

举个例子（32 位 ARM）：

int *p = (int *)0x1003;  // 非对齐访问
int val = *p;            // CPU 报错：Alignment fault

• 访问 0x1003 开头的 4 字节 int，CPU 要读 0x1000~1003 和 0x1004~1007 两个字。

为什么会慢？

• 对齐访问：只需一次 memory access（aligned word fetch）
• 非对齐访问：CPU 可能需要两次访问（split fetch），然后通过内部逻辑拼装结果

总线/缓存对齐

CPU 通常按「字」单位（4 或 8 字节）从内存中取数据；

如果数据没对齐，就可能跨越两个 cache line（典型为 64 字节），导致：

• 2 次 cache 访问（Cache Miss 增加）
• 内存带宽浪费

编译器对齐策略（C/C++ 为例）

对于结构体 struct S，编译器会遵循：

1. 每个成员地址必须是其类型对齐数的整数倍
2. 整个结构体大小是最大对齐数的整数倍
3. 必要时插入 padding 字节

对齐数通常为类型大小（也可用 __alignof__ 获得），也就是说，int 占 4 个字节，它的地址一般要是 4 的倍数；double 占 8 个字节，它的地址一般要是 8 的倍数。

在某些平台或 ABI 规则下，对齐数 ≤ 类型大小，不会超过类型大小。例如：

• 在 32 位系统上，double 的大小是 8 字节，但可能只要求 4 字节对齐（节省空间）。
• 在结构体里，编译器会根据最大对齐数和填充规则来对齐成员。

示例：

struct S {
    char a;   // 1字节
    int  b;   // 4字节
    short c;  // 2字节
};

在 32 位平台上（假设默认对齐）：

成员	偏移	占用	说明
a	0	1	char 占1字节
pad1	1~3	3	填充，使 b 从地址 4 开始
b	4~7	4	int 对齐到 4
c	8~9	2	short 对齐到 2
pad2	10~11	2	结构体对齐到最大成员 4 字节的倍数

总大小：12 字节

强制修改对齐方式：

#pragma pack(1)
struct S { char a; int b; short c; };
#pragma pack()

• 强制结构体以 1 字节对齐，压缩空间，但性能可能下降（特别在非 x86 平台上）

对齐对性能的真实影响（汇编视角）

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main() {
    // 定义一个长度为 8 的字节数组，内容从 1 到 8
    // arr 的内存布局如下（每个数字代表一个字节）：
    // 地址:   0  1  2  3  4  5  6  7
    // 内容:   1  2  3  4  5  6  7  8
    uint8_t arr[8] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};

    // 对齐访问：从 arr[4] 开始，按 uint32_t 读取 4 字节（即读取 5,6,7,8）
    // &arr[4] 是按 4 字节对齐的地址（假设 arr 本身是对齐的），所以是“对齐访问”
    // val1 读取的是：
    // 在小端机器上（x86/x64）：val1 = 8 << 24 | 7 << 16 | 6 << 8 | 5
    //                         => val1 = 0x08070605 = 134678021
    // 在大端机器上：           => val1 = 0x05060708 = 84281096
    uint32_t *p_aligned = (uint32_t *)&arr[4];
    uint32_t val1 = *p_aligned;

    // 非对齐访问：从 arr[3] 开始，按 uint32_t 读取 4 字节（即读取 4,5,6,7）
    // &arr[3] 是不是 4 的倍数（是 3），所以是“非对齐访问”
    // 一些平台可能支持，但效率低；某些平台（如 ARM）甚至可能直接崩溃（SIGBUS）
    uint32_t *p_unaligned = (uint32_t *)&arr[3];
    uint32_t val2 = *p_unaligned;

    // 打印两个值（按实际平台字节序决定结果）
    // 在小端平台（如 x86），输出：
    // val1 = 0x08070605 = 134678021
    // val2 = 0x07060504 = 117835012
    printf("%u %u\n", val1, val2);
    return 0;
}

• uint8_t 是 1 字节类型，相当于 unsigned char。

• uint32_t 是 4 字节类型（32 位无符号整数）。

• 小端序：低位字节在低地址 → 读取顺序为：最低字节在前。

• 对齐访问更快；非对齐访问在某些平台上性能差甚至出错。

• uint32_t * 强转后从非对齐地址读取是未定义行为（但 x86 通常会允许这么做）。

在 x86 平台上的行为（使用 GCC 编译 -O0 -m32）

编译器生成的汇编：

对齐访问（aligned）：

mov eax, DWORD PTR [ebp-4]

• DWORD PTR 表示一次性取双字 (double word, 4 字节)数据
• [ebp-4]
  • 方括号表示“内存地址”。
  • ebp 是 基址指针寄存器 (Base Pointer)，在函数栈帧里用来定位局部变量和参数。
  • ebp-4 就是：栈帧基址往下偏移 4 个字节的位置。
• 地址是 4 的倍数，CPU 直接使用 一个指令 完成加载

非对齐访问（unaligned）：

movzx eax, BYTE PTR [ebp-5]       ; 读第1个字节
movzx ecx, BYTE PTR [ebp-4]       ; 读第2个字节
shl ecx, 8
or eax, ecx
movzx ecx, BYTE PTR [ebp-3]       ; 读第3个字节
shl ecx, 16
or eax, ecx
movzx ecx, BYTE PTR [ebp-2]       ; 读第4个字节
shl ecx, 24
or eax, ecx

• movzx 把一个字节扩展成 32 位整数
• shl 是左移操作（拼接 4 个字节组成 1 个整数）
• or 是拼装的方式

对比

• 对齐访问：1 条指令 mov 完成
• 非对齐访问：至少 4 条加载 + 3 条移位 + 3 条或运算

在 ARM、MIPS 平台（非 x86）：

非对齐访问 会直接触发 SIGBUS 错误（对齐错误）：

Bus error (core dumped)

除非编译时启用 -mno-unaligned-access（ARMv7 及更高）或者使用 memcpy 规避。

性能影响测试（以 GCC 为例）

对 aligned 与 unaligned 循环访问 1 亿次：

for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    sum += *(uint32_t *)(arr + 4); // aligned
}

for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    sum += *(uint32_t *)(arr + 3); // unaligned
}

• 对齐访问：约 50ms
• 非对齐访问：约 200ms+（慢了 3～5 倍）

如何规避非对齐访问？

1. 避免强制类型转换指针造成非对齐访问
2. 使用 memcpy() 安全加载不对齐数据
3. 结构体字段对齐或 #pragma pack 后用 memcpy 装载大数据

对齐与数据结构设计的深远影响

未优化结构体：浪费空间

struct Bad {
    char c1;   // 1 byte
    int  i;    // 4 bytes
    char c2;   // 1 byte
};

分析布局（在 32 位/64 位平台上）

成员	偏移	大小	说明
char c1	0	1
pad1	1~3	3	填充到 4 字节对齐
int i	4~7	4	已对齐
char c2	8	1
pad2	9~11	3	填充到结构体整体对齐（4字节对齐）

总大小：12 字节

优化结构体：减少 padding

struct Good {
    int  i;    // 4 bytes
    char c1;   // 1 byte
    char c2;   // 1 byte
};

优化后布局

成员	偏移	大小	说明
int i	0~3	4	已对齐
char c1	4	1
char c2	5	1
pad	6~7	2	补到 4 字节对齐倍数

总大小：8 字节

对齐优化技巧：

技巧	原理
成员按从大到小排序	减少中间 padding 空隙
使用 #pragma pack	强制压缩结构体，节省空间
拆成多个结构	热数据放一起，冷数据放另一结构（cache 优化）