内存对齐与变量/结构体分析

在 C++ 中，内存对齐（Memory Alignment） 是编译器在为变量或结构体分配内存时，为了提高 CPU 访问效率 而进行的一种内存布局策略。
它的核心思想是：数据的起始地址要满足一定的对齐要求，而不是紧密地一个接一个地存放。

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1️⃣ 为什么需要内存对齐

1. 硬件原因
   许多 CPU 在访问某些数据类型时，要求数据的地址是特定倍数，否则访问效率会下降，甚至直接抛出硬件异常。
   例如：32 位 CPU 通常要求 4 字节的 int 变量地址是 4 的倍数。

2. 性能原因
   CPU 以字（word）为单位读取内存（一次通常读取 2/4/8 字节）。
   如果数据没有按字对齐，CPU 可能需要两次总线访问才能取到完整数据，降低效率。

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2️⃣ 对齐规则（常见情况）

编译器通常遵循以下规则（不同平台/编译器可能略有差异）：

类型	对齐值（alignment）
char	1 字节
short	2 字节
int / float	4 字节
double	8 字节（在 64 位系统上通常是 8）

👉 对齐值 = min(类型自身大小, 编译器默认对齐值)

• 例如：在默认对齐值为 8 的 64 位系统上：

  • int 的大小 4，取 min(4, 8) → 对齐值 4 ， 这意味着每个 int 的 起始地址必须是 4 的倍数。
  • double 的大小 8，取 min(8, 8) → 对齐值 8

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3️⃣ 结构体的对齐

结构体（struct/class）对齐比单一变量更复杂，需要遵循 成员对齐 + 整体对齐：

规则

1. 每个成员 的地址必须是其自身对齐值的整数倍。
2. 结构体总大小 必须是其 最大成员对齐值 的整数倍（必要时在末尾填充 padding）。

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例子 1

struct A {char c;   // 1 字节int i;    // 4 字节
};

内存布局：

| c | pad(3) | i i i i |

• char c 占 1 字节，接着要对齐到 4 字节边界 → 填充 3 字节。
• 总大小 = 8 字节，而不是 5。

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例子 2：调整顺序减少填充

struct B {int i;char c;
};

布局：

| i i i i | c | pad(3) |

• 总大小还是 8（因为整体必须是最大成员对齐值 4 的倍数）。
• 但如果有多个成员，合理排序可以减少浪费。

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4️⃣ 控制对齐方式

编译器提供手段来改变默认对齐：

1. #pragma pack(n)

   • 让结构体按 n 字节对齐。

   #pragma pack(1)
   struct C {char c;int i;
   };
   #pragma pack()
   

   结果大小 = 5 字节（几乎无 padding），但可能降低访问效率。

2. alignas (C++11)

   • 指定特定变量或结构体的对齐要求。

   struct alignas(16) D {double d;
   };
   

   强制 D 的对齐为 16 字节。

3. alignof (C++11)

   • 查询类型的对齐值。

   std::cout << alignof(double) << std::endl;
   

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5️⃣ 小结

概念	说明
内存对齐	数据地址按特定字节边界存放
原因	提高 CPU 访问速度，避免硬件异常
结构体大小	成员最大对齐值的倍数
优化	成员排序、#pragma pack、alignas

一句话记忆：

对齐是以空间换时间：多花几个字节的填充 (padding)，换来 CPU 读写的高效和安全。