C++内存对齐

引言

内存对齐有利于从硬件层面提高cpu对内存的访问效率。通常情况下，cpu取数据是按照内存单元取的，而内存单元的地址是对齐的。这就意味着，内存对齐的情况下，cpu取某个地址上的数据（它存储在某个内存单元），假设cpu一次只取一个内存单元的数据，那么此时cpu只需要访问一次内存即可。但是，如果内存非对齐，这个数据就有可能落在两个内存单元，那cpu就需要至少访问两次内存。由此可见，内存不对齐的情况下，访存效率降低。

基本数据类型的对齐

以下结果是在64位系统中测试的：

对于32位系统，int*和long类型占用4字节。另外，数组是按照数组中元素的类型去对齐的，比如int[]就按照4字节对齐。

类或者结构体的对齐

首先看下面一段代码：

class A{
public:
  int* a;
  char b;
  short c;
  A() { a = new int(3); }
  ~A() { delete a; }
};

对于类或者结构体的对齐，首先考虑内部各变量自身的对齐，其次再考虑类作为一个整体，也需要按照最大的数据成员去对齐。所以综合这两个对齐要求，类A对齐之后的大小为16字节。那么A中成员变量在内存中具体是如何对齐的呢，可以参考下图：
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成员a是一个指针，按照8字节对齐，其首地址为0，可以对齐。此时，b的偏移地址为8，b也可以对齐。b占用一个字节，那么c的偏移地址就是9，但c要按照2字节对齐，所以要填充一个字节，也就是x所占的位置，因此，c的偏移地址变成了10，c占用2字节，那么A的大小是12字节。但是，A需要按照8字节对齐，所以再填充4字节，总共占用16字节。
再来看看如下代码：

class A{
public:
  char b;
  int* a;
  short c;
  A() { a = new int(3); }
  ~A() { delete a; }
};

可以看到，调换了下成员变量的位置，直觉告诉我们类A的大小应该不变，但是实际上其大小变为了24字节。可以参考上述过程计算一遍。由此可见，数据成员的排列也会影响到内存对齐之后的结果。这里有一个原则，就是尽量将对齐字节数大的成员声明在前面，从而减少内存对齐时，带来额外的内存开销。