C++11内存对齐之std::aligned_storage与alignas与alignof

1. std::aligned_storage

插播一下POD的含义：Plain old data structure，缩写为POD，是C++语言的标准中定义的一类数据结构，POD适用于需要明确的数据底层操作的系统中。POD通常被用在系统的边界处，即指不同系统之间只能以底层数据的形式进行交互，系统的高层逻辑不能互相兼容。比如当对象的字段值是从外部数据中构建时，系统还没有办法对对象进行语义检查和解释，这时就适用POD来存储数据。

可能的源码实现：

// PR c++/56859
// { dg-require-effective-target c++11 }

template
struct aligned_storage
{
  using type = struct { alignas(alignment) unsigned char data[size]; };
};

template 
struct aligned_storage
{
    using type __attribute__((aligned((Align)))) =
        char[Len];
};

// PR c++/17743

template 
struct aligned_storage
{
  typedef char type[Len] __attribute__((aligned((Align))));
};

示例代码：

#include 
#include 
#include 
 
template
class static_vector
{
    // N 个 T 的正确对齐的未初始化存储
    typename std::aligned_storage::type data[N];
    std::size_t m_size = 0;
 
public:
    // 于对齐存储创建对象
    template void emplace_back(Args&&... args) 
    {
        if( m_size >= N ) // 可行的错误处理
            throw std::bad_alloc{};
        new(data+m_size) T(std::forward(args)...);
        ++m_size;
    }
 
    // 访问对齐存储中的对象
    const T& operator[](std::size_t pos) const 
    {
        // 注意： C++17 起需要 std::launder
        return *reinterpret_cast(data+pos);
    }
 
    // 从对齐存储删除对象
    ~static_vector() 
    {
        for(std::size_t pos = 0; pos < m_size; ++pos) {
            // 注意： C++17 起需要 std::launder
            reinterpret_cast(data+pos)->~T();
        }
    }
};
 
int main()
{
    static_vector v1;
    v1.emplace_back(5, '*');
    v1.emplace_back(10, '*');
    std::cout << v1[0] << '\n' << v1[1] << '\n';
}

运行结果：

*****
**********

2. alignas

示例代码：

// sse_t 类型的每个对象将对齐到 16 字节边界
struct alignas(16) sse_t
{
  float sse_data[4];
};
 
// 数组 "cacheline" 将对齐到 128字节边界
alignas(128) char cacheline[128];
 
 
int main()
{
}

3. alignof

示例代码：

#include 
 
struct Foo {
    int   i;
    float f;
    char  c;
};
 
struct Empty {};
 
struct alignas(64) Empty64 {};
 
int main()
{
    std::cout << "Alignment of"  "\n"
        "- char             : " << alignof(char)    << "\n"
        "- pointer          : " << alignof(int*)    << "\n"
        "- class Foo        : " << alignof(Foo)     << "\n"
        "- empty class      : " << alignof(Empty)   << "\n"
        "- alignas(64) Empty: " << alignof(Empty64) << "\n";
}

运行结果：

Alignment of
- char             : 1
- pointer          : 8
- class Foo        : 4
- empty class      : 1
- alignas(64) Empty: 64

reference：

https://zh.cppreference.com/w/cpp/types/aligned_storage

https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/alignas

https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/alignof