【C/C++】详解内存对齐问题，C语言内存对齐整理
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前言：本专栏记录了博主C++从初阶到高阶完整的学习历程，会发布一些博主学习的感悟、碰到的问题、重要的知识点，和大家一起探索C++这门程序语言的奥秘。这个专栏将记录博主C++语法、高阶数据结构、STL的学习过程，正所谓“万丈高楼平地起”嘛，我们话不多说，继续进行C++阶段的学习。本文我们不讲C++主线的内容，我们来拓展一下或者说整理一下我们学习时C/C++时经常会提到的一些专有名词，例如形参、实参，显式类型转换和隐式类型转换类型转换，内置类型、内存对齐问题等等。
C++的两个参考文档：
老朋友（非官方文档）：cplusplus
官方文档（同步更新）：cppreference
目录
正文
1、什么是内存对齐
2、为什么需要内存对齐
2.1 硬件要求
2.2 性能优化
2.3 跨平台兼容
3、对齐规则详解
3.1 基本数据类型的自然对齐
3.2 结构体的对齐规则
3.3 联合体(union)的对齐
4、结构体成员排列优化
5、内存布局示例
5.1 示例1：基本结构体
5.2 示例2：调整成员顺序优化空间
6、控制对齐方式
6.1 编译器指令
6.2 C++11后的标准方式
6.3 跨平台写法
7、实际开发中的注意事项
8、实际应用场景
8.1 网络协议处理
8.2 硬件寄存器映射
8.3 性能优化
9、检测对齐的方法
10、常见问题与解决方案
10.1 问题1：非对齐访问导致崩溃（ARM平台）
10.2 问题2：结构体大小意外过大
10.3 问题3：跨平台数据不一致
10.4 问题4：跨平台结构体大小不一致
11、调试与检测
11.1 查看对齐值
11.2 检查指针是否对齐
11.3 静态断言(C11)
12、性能影响实测示例
13、高级话题：缓存行对齐
结尾
正文
博主之前就介绍过内存对齐的内容，是在C语言的自定义类型：结构体里面介绍的——
【自定义类型：结构体】：类型声明、结构体变量的创建与初始化、内存对齐、传参、位段
1、什么是内存对齐
内存对齐（Memory Alignment）是指数据在内存中的存储地址必须是某个值的整数倍（通常是2、4、8等2的幂次方）。现代计算机体系结构对内存访问进行了优化，要求特定类型的数据必须从特定倍数的地址开始存储。
2、为什么需要内存对齐
2.1 硬件要求
-
CPU访问效率：多数CPU访问对齐的数据只需要一个总线周期，而非对齐访问可能需要多个周期
-
硬件支持：某些架构（如ARM）完全不允许非对齐访问，会导致硬件异常
（硬件要求：多数CPU访问对齐数据效率更高，有些架构(如ARM)直接不支持非对齐访问）
2.2 性能优化
-
缓存行优化：对齐数据能更好地利用CPU缓存
（性能优化：对齐数据能更好利用CPU缓存行）
-
SIMD指令：许多SIMD指令要求数据必须对齐
（指令集要求：如SSE/AVX等SIMD指令要求数据必须对齐）
2.3 跨平台兼容
-
不同平台可能有不同的对齐要求
3、对齐规则详解
3.1 基本数据类型的自然对齐
-
char：1字节对齐 -
short：2字节对齐 -
int/float：4字节对齐 -
double/long long：8字节对齐（32位系统可能4字节） -
指针：4字节（32位）或8字节（64位）对齐
3.2 结构体的对齐规则
-
结构体的对齐要求是其成员中最大对齐要求的那个值
-
结构体的大小必须是其对齐要求的整数倍
-
每个成员的偏移量必须是其自身对齐值的整数倍
struct Example1
{char a; // 1字节int b; // 4字节（需要从4的倍数地址开始）short c; // 2字节
};
// 大小可能是12字节（1 + 3填充 + 4 + 2 + 2填充）3.3 联合体(union)的对齐
-
对齐要求等于其最大成员的对齐要求
-
大小等于最大成员的大小（向上对齐）
4、结构体成员排列优化
通过合理排列成员顺序可以节省内存：
// 优化前(12字节)
struct bad_layout
{char a;int b;short c;
};// 优化后(8字节)
struct good_layout
{int b;char a;short c;
};优化原则：
按对齐值从大到小排列成员
相同类型的成员尽量集中放置
5、内存布局示例
5.1 示例1：基本结构体
struct S1
{char a; // 偏移0// 3字节填充int b; // 偏移4short c; // 偏移8// 2字节填充（使总大小为12，是4的倍数）
};
// sizeof(S1) == 125.2 示例2：调整成员顺序优化空间
struct S2
{int b; // 偏移0char a; // 偏移4short c; // 偏移6// 无填充（总大小8，已是4的倍数）
};
// sizeof(S2) == 86、控制对齐方式
6.1 编译器指令
-
GCC/Clang：
__attribute__((aligned(n)))或__attribute__((packed))
// 强制4字节对齐
struct __attribute__((aligned(4))) aligned_struct
{char a;int b;
};// 取消对齐(packed)
struct __attribute__((packed)) packed_struct
{char a;int b;
};-
MSVC：
__declspec(align(n))
__declspec(align(16)) struct aligned_struct
{char a;int b;
};演示如下：
// 强制16字节对齐
struct alignas(16) AlignedStruct
{int a;double b;
};// 取消对齐（可能降低性能但节省空间）
#pragma pack(push, 1)
struct PackedStruct
{char a;int b;short c;
};
#pragma pack(pop)6.2 C++11后的标准方式
alignas(16) int aligned_array[4]; // 16字节对齐struct alignas(8) MyStruct
{char a;int b;
};6.3 跨平台写法
#if defined(_MSC_VER)
#define ALIGN(n) __declspec(align(n))
#else
#define ALIGN(n) __attribute__((aligned(n)))
#endifALIGN(8) struct cross_platform_struct
{int a;char b;
};7、实际开发中的注意事项
网络传输：传输结构体前应序列化或使用
#pragma pack(1)。文件IO：直接读写结构体要考虑对齐差异。
跨平台开发：不同平台对齐要求可能不同。
性能敏感代码：合理安排结构体成员顺序。
SIMD编程：必须保证数据对齐。
8、实际应用场景
8.1 网络协议处理
#pragma pack(push, 1) // 1字节对齐
struct network_packet
{uint16_t header;uint32_t length;char data[256];
};
#pragma pack(pop) // 恢复默认对齐8.2 硬件寄存器映射
struct hw_register
{volatile uint32_t CTRL ALIGN(4);volatile uint32_t STATUS ALIGN(4);volatile uint32_t DATA ALIGN(4);
};8.3 性能优化
// 缓存行对齐(通常64字节)
struct cache_line_aligned
{int data ALIGN(64);
};9、检测对齐的方法
// C++11
static_assert(alignof(int) == 4, "int must be 4-byte aligned");// 运行时检查
bool is_aligned(const void* p, size_t alignment)
{return (reinterpret_cast<uintptr_t>(p) % alignment) == 0;
}10、常见问题与解决方案
10.1 问题1：非对齐访问导致崩溃（ARM平台）
char buffer[100];
int *p = (int *)(buffer + 1); // 非对齐指针
*p = 42; // 在ARM上可能崩溃解决方案：确保指针类型转换后的对齐要求。
// 方法1：使用memcpy
int value = 42;
memcpy(buffer + 1, &value, sizeof(value));// 方法2：确保对齐
int *p = (int *)(buffer + (4 - ((uintptr_t)buffer % 4)));10.2 问题2：结构体大小意外过大
解决方案：重新排列成员顺序，把大对齐成员放前面。
10.3 问题3：跨平台数据不一致
解决方案：使用序列化代替直接内存拷贝。
10.4 问题4：跨平台结构体大小不一致
解决方案：
使用编译器指令统一对齐方式
避免直接读写结构体二进制，改用序列化
11、调试与检测
11.1 查看对齐值
#include <stddef.h>
printf("int alignment: %zu\n", _Alignof(int));11.2 检查指针是否对齐
int is_aligned(const void *ptr, size_t alignment)
{return ((uintptr_t)ptr % alignment) == 0;
}11.3 静态断言(C11)
_Static_assert(_Alignof(double) == 8, "double must be 8-byte aligned");12、性能影响实测示例
示例一：
// 测试对齐访问的性能差异
void test_aligned_access()
{const int SIZE = 1000000;// 非对齐内存char* unaligned = new char[SIZE * 4 + 1];int* data1 = reinterpret_cast<int*>(unaligned + 1); // 强制非对齐// 对齐内存int* data2 = new int[SIZE];// 性能测试...
}示例二：
#include <stdio.h>
#include <time.h>#define SIZE 10000000void test_aligned()
{_Alignas(16) int array[SIZE];// 测试对齐访问性能...
}void test_unaligned()
{char buffer[SIZE * 4 + 1];int *array = (int *)(buffer + 1); // 故意不对齐// 测试非对齐访问性能...
}int main()
{// 对比两个函数的执行时间
}13、高级话题：缓存行对齐
对于多线程编程，避免false sharing（伪共享）：
struct alignas(64) CacheLineAligned
{ // 典型缓存行大小64字节int data;// 填充剩余空间
};结尾
往期回顾：
【C/C++】具有C风格的强制类型转换：显式类型转换、隐式类型转换，C语言强制类型转换
【C/C++】C++引用和指针的对比
【C/C++】形参、实参相关内容整理
【C/C++】Dev-C++的安装与使用以及快捷键整理
【日常问题解决方案】VS2022不小心解决方案资源管理器把关掉了怎么办
VS2022进行监视功能的步骤
结语：本文内容到这里就全部结束了。本文我们介绍了C语言以及C++的内存对齐问题。