详解C++ 内存对齐

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什么是内存对齐

内存对齐是指在计算机内存中分配空间时，按照一定的规则进行排列，使得数据在内存中存储的位置是按照一定规则对齐的。常见的对齐方式是按照数据类型的字节数进行对齐，也就是所谓的“以字节对齐”。

为什么需要内存对齐

内存对齐的主要目的是为了提高内存读写的效率。因为现代计算机内存的存取是以字节为单位进行的，如果数据在内存中存储的位置不是按照一定的规则对齐的，就会产生额外的计算和移位操作，从而降低内存读写的效率。

C++ 中的内存对齐规则

C++ 中的内存对齐规则主要包括两个方面：数据对齐规则和结构体对齐规则。

数据对齐规则

数据对齐规则是指数据类型本身在内存中所占的字节数。C++ 中的基本数据类型有 int、char、float、double 等，每种数据类型在内存中所占的字节数也不同。例如，int 类型在常见的机器上通常占用 4 个字节，而 double 类型则占用 8 个字节。

结构体对齐规则

结构体的对齐规则又分为两种：自然对齐和强制对齐。

自然对齐是指结构体中每个数据成员的数据对齐规则不同，结构体中的数据成员在内存中的位置是按其数据对齐规则进行排列的。例如，一个结构体中包含了 int 和 double 两种数据类型，int 类型的数据对齐规则是 4 字节，double 类型的数据对齐规则是 8 字节，那么在内存中排列顺序就是先按照 int 类型的数据对齐规则进行排列，再按照 double 类型的数据对齐规则进行排列。

强制对齐是指通过预编译指令强制设置结构体中每个数据成员的数据对齐规则。可以通过 #include <pragma pack(n)> 指令来设置数据对齐规则，其中 n 表示对齐规则的字节数。例如，#pragma pack(1) 表示以 1 字节对齐。在强制对齐的情况下，结构体中每个数据成员的位置是按照所设置的数据对齐规则进行排列的。需要注意的是，在强制对齐的情况下会增加内存访问的次数，因此可能会降低内存读写的效率。

示例说明

以下是两个示例，用来说明内存对齐的计算方法。

示例 1：数据类型内存对齐计算

例如，在一个 32 位的机器上，int 类型的数据对齐规则是 4 字节，而 char 类型的数据对齐规则是 1 字节。如果定义了如下的结构体：

struct Example {
    int a;
    char b;
    int c;
};

那么在内存中，结构体所占用的字节数就是 12 字节（int 类型占用 4 个字节，char 类型占用 1 个字节）：

--------------------------
|   a   |   b   |    c   |
--------------------------
^^^^^^^       ^^^^^^^
  4B             4B

示例 2：强制对齐内存对齐计算

例如，在一个 32 位的机器上，定义如下的结构体：

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

在强制对齐的情况下，int 类型和 char 类型的数据都会按照 1 字节对齐的方式进行存储，因此结构体所占用的字节数就是 9 个字节：

------------------------------------
|   a   |   b   |   x   |   c   |
------------------------------------
^^^^^^^       ^^^^^^^       ^^^^^^^
  4B             1B            4B

其中 x 表示填充字节，用来保证下一个 int 类型数据占用的位置是按照 4 字节对齐的。需要注意的是，强制对齐可能会在结构体中增加填充字节，从而降低内存读写的效率，因此使用时需要谨慎。