從硬件到語言，詳解C++的內存對齊（memory alignment）

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　　作者： 趙宗晟
　　出處： https://www.cnblogs.com/zhao-zongsheng/p/9099603.html

很多寫C/C++的人都知道“內存對齊”的概念以及規則，但不一定對他有很深入的了解。這篇文章試着從硬件到C++語言、更徹底地講一下C++的內存對齊。

什么是內存對齊（memory alignment）

首先，什么是內存對齊（memory alignment）？這個是從硬件層面出現的概念。大家都知道，可執行程序是由一系列CPU指令構成的。CPU指令中有一些指令是需要訪問內存的。最常見的就是“從內存讀到寄存器”，以及“從寄存器寫到內存”。在老的架構中（包括x86），也有一些運算的指令是可以直接以內存為操作數，那么這些指令也隱含了內存的讀取。在很多CPU架構下，這些指令都要求操作的內存地址（更准確的說，操作內存的起始地址）能夠被操作的內存大小整除，滿足這個要求的內存訪問叫做訪問對齊的內存（aligned memory access），否則就是訪問未對齊的內存（unaligned memory access）。舉例來說，ARM的LDRH指令從內存中讀取2個byte到寄存器中。如果指定的內存的地址是0x2587c20，因為0x2587c20這個數能夠被2整除，所以這2個byte是對齊的。而如果指定的內存的地址是0x2587c33，因為不能被2整除，所以是未對齊的。

那如果訪問未對齊的內存會出現什么結果呢？這個要看CPU。

• 有些CPU架構可以訪問未對齊的內存，但是會有性能上的影響。典型的就是x86架構CPU
• 有些CPU會拋出異常
• 還有些CPU不會拋出任何異常，會靜默地訪問錯誤的地址
• 近幾年也有些CPU的一部分指令可以正常訪問未對齊的內存，同時不會有性能影響

因為每個CPU對未對齊內存的訪問的處理方式都不一樣，所以訪問未對齊的內存是要盡量避免的。所以就出現了C/C++的內存對齊機制。

C++的內存對齊機制

在C++中每個類型都有兩個屬性，一個是大小（size），還有一個就是對齊要求（alignment requirement），或稱之為對齊量（alignment）。C++標准並沒有規定每個類型的對齊量，但是一般都會有這樣的規律。

1. 所有基礎類型的對齊量等於這個類型的大小。
2. struct, class, union類型的對齊量等於他的非靜態成員變量中最大的對齊量。

另外，標准規定所有的對齊量必須是2的冪。

編譯器在給一個變量分配內存時，都要算出並滿足這個類型的對齊要求。struct和class類型的非靜態成員變量的字節數偏移（offset）也要滿足各自類型的對齊要求。

舉例來說，

class MyObject
{
    char c;
    int i;
    short s;
};

c是char類型，對齊要求是1，i是int類型，對齊要求是4，s是short類型，對齊要求是2。那么MyObject取最大的，也就是4作為他的對齊要求。如果在某個函數中聲明了MyObject類型的變量，那么分配給這個變量的內存的起始地址是能夠被4整除的。

我們再看MyObject的成員變量。c是MyObject的第一個成員變量，所以他的字節數偏移是0，也就是說變量c占據MyObject的第一個byte。i的對齊要求是4，所以字節數偏移必須是4的倍數，又因為變量i必須在變量c的后面，於是i的字節數偏移就是4，也就是說變量i占據MyObject的第5到第8個byte，而第2到第4個byte則是空白填充（padding）。s的對齊要求是2，又因為s必須在i的后面，所以s的字節數偏移是8，也就是說，變量s占據MyObject的第9個和第10個byte。另外，因為struct、class、union類型的數組的每個元素都要內存對齊，所以一般來說struct、class、union的大小都是這個類型的對齊量的整數倍，所以MyObject的大小是12，也就是說，變量s后面會有2個byte的空白填充。

因為C++中所有內存訪問都是通過變量的讀寫來訪問的，這個機制確保了所有變量都滿足了內存對齊，也就確保了程序中所有內存訪問都是對齊的。

當然，C++不會阻止我們去訪問未對齊的內存。例如，以下的代碼就很可能會訪問未對齊的內存：

char buf[10];
int* ptr = (int*)(buf + 1);
++*ptr;

這類代碼是我們在實際工作中也是能遇到的。事實上這種寫法是比較危險的，因為他很可能會去訪問未對齊的內存。這也是為什么寫c++大家都不推薦用c風格的類型轉換寫法，而是要用static_cast, dynamic_cast, const_cast與reinterpret_cast。這樣的話，上面的代碼就必須要使用reinterpret_cast，大家都知道reinterpret_cast是很危險的，也許就會想辦法避免這樣的邏輯。

常見CPU的未對齊內存訪問

根據Intel最新的Intel 64及IA-32架構說明書，Intel 64及IA-32架構都支持未對齊內存的訪問，但是會有性能上的額外開銷（詳見http://www.intel.com/products/processor/manuals）。但是實際上最近的Core系列CPU已經可以無額外開銷訪問未對齊的內存。

而手機上最常見的ARMv8架構，如果是普通的、不做多核同步的未對齊的內存訪問，那么CPU可能會產生對齊錯誤（alignment fault）或者執行未對齊內存操作。換句話說，到底會報錯還是正常執行，是要看具體CPU的實現的。即使是執行正常操作，也會有一些限制。例如，不能保證讀寫的原子性（操作一個byte的除外），很可能產生額外的開銷等（詳見https://developer.arm.com/docs/ddi0487/latest/arm-architecture-reference-manual-armv8-for-armv8-a-architecture-profile）。ARMv8中的Cortex-A系列是手機上常見的CPU家族，他們就可以正常處理未對齊內存訪問，但是一般會有額外的開銷（詳見http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.faqs/ka15414.html）。

我們也可以寫一個簡單的程序測試一下自己的CPU對未對齊內存訪問的支持，以下是代碼：

#include <iostream>
#include <chrono>

using namespace std;
using namespace std::chrono;

milliseconds test_duration(volatile int * ptr)  // 使用volatile指針防止編譯器的優化
{
    auto start = steady_clock::now();
    for (unsigned i = 0; i < 100'000'000; ++i)
    {
        ++(*ptr);
    }
    auto end = steady_clock::now();
    return duration_cast<milliseconds>(end - start);
}

int main()
{
    int raw[2] = {0, 0};
    {
        int* ptr = raw;
        cout << "address of aligned pointer: " << (void*)ptr << endl;
        cout << "aligned access: " << test_duration(ptr).count() << "ms" << endl;
        *ptr = 0;
    }
    {
        int* ptr = (int*)(((char*)raw) + 1);
        cout << "address of unaligned pointer: " << (void*)ptr << endl;
        cout << "unaligned access: " << test_duration(ptr).count() << "ms" << endl;
        *ptr = 0;
    }
    cin.get();
    return 0;
}

我測試使用的電腦的CPU是Intel Core i7 2630QM，是intel 2代酷睿CPU，測試結果為：

address of aligned pointer: 000000668DEFFA78
aligned access: 282ms
address of unaligned pointer: 000000668DEFFA79
unaligned access: 285ms

可以看出對齊與未對齊的內存訪問沒有性能上的差別。

在C++中修改對齊要求

一般情況下，我們不需要自定義對齊要求，但也會有很特殊的情況下需要做調整。C++中，我們可以使用alignas關鍵字修改一個類型、或者一個變量的對齊要求。例如：

class MyObject
{
    char c;
    alignas(8) int i;
    short s;
};

這樣的話，變量i的對齊要求由原本的4變成了8，結果就是，i的字節數偏移由4變成了8，s的字節數偏移由8變成了12，MyObject的對齊要求也變成了8，大小變成了16。

我們也可以對MyObject的定義使用alignas：

class alignas(16) MyObject
{
    char c;
    int i;
    short s;
};

還可以在alignas里面寫某個類型。也可以使用多個alignas，結果就是使用最大的對齊要求。例如以下MyObject的對齊要求就是16：

class alignas(int) alignas(16) MyObject
{
    char c;
    int i;
    short s;
};

alignas有一個限制，那就是不能用alignas改小對齊要求。例如以下的代碼會報錯：

alignas(1) int i;

另外，C++中，有一個特殊的類型：max_align_t，所有不大於他的對齊量叫做基礎對齊量（fundamental alignment），比這個對齊量大的叫做擴展對齊量（extended alignment ）。C++標准規定，所有平台必須要支持基礎對齊量，而對於擴展對齊量的支持要看各個平台。一般來說max_align_t的對齊量等於long double的對齊量。

C++關於內存對齊的支持還有很多功能，例如查詢對齊量的alignof關鍵字，可以創建任意大小任意對齊要求的類型的aligned_storage模板，還有方便模板編程的alignment_of等等，在此就不細述了。