c++11总结10——内存对齐

1. 内存对齐的概念

内存对齐是一个数据类型所能存放的内存地址的属性。这个属性是一个无符号整数，并且这个整数必须是2的N次方(1、2、4、8、、、1024、、、)。

例如当我们说一个数据类型的内存对齐为8时，是指这个数据类型所定义出来的所有变量的内存地址都是8的倍数。

2. 自然对齐的概念

当一个基本数据类型的对齐属性和这个数据类型的大小相等时，称为自然对齐。例如一个4字节大小的int型数据，默认情况下字节对齐是4。

3. 为什么需要内存对齐?

1） 并不是每一个硬件平台都能随便访问任意位置的内存的。某些平台(例如Alpha等)若读取的数据未内存对齐，将拒绝访问或抛出异常。

2）将一个int放在奇数内存(例如1)位置上，如果想把4个字节读出来，32位CPU需要读取两次。如下例子所示:

如果按照4字节对齐后，一次就可以读取出来了，提升了效率。

4. 内存对齐示例

#include 
using namespace std;

struct
{
	int i;
	char c1;
	char c2;
}Test1;

struct {
	char c1;
	int i;
	char c2;
}Test2;

struct {
	char c1;
	char c2;
	int i;
}Test3;

int main()
{
	cout << sizeof(Test1) << endl;
	cout << sizeof(Test2) << endl;
	cout << sizeof(Test3) << endl;

	system("pause");
    return 0;
}

执行结果: 

8 

12

8

本例测试环境为vs2015，默认4字节对齐，分析如下所示:

5. 堆内存对齐

malloc一般使用当前平台默认的最大内存对齐数对齐内存，比如，MSVC在32位下一般为8字节对齐，64位下则是16字节对齐。如果我们自定义的内存对齐超出了这个范围，则不能直接使用malloc获取内存。

但当我们有需求需要分配一块具有特定内存对齐的内存块时，在MSVC下应使用_aligned_malloc，gcc下一般使用memalogn等函数。

实现一个简易的aligned_malloc：

inline void* aligned_malloc(size_t size, size_t alignment)
{
	//检查alignment是否为2^N
	assert(!(alignment & (alignment - 1)));

	//计算出最大的offset,sizeof(void*)是为了存储原始指针地址
	size_t offset = sizeof(void*) + (--alignment);

	//分配一块带offset的内存
	char *p = static_cast(malloc(offset + size));
	if (!p)
		return nullptr;

	//通过"& (~alignment)"把多计算的offset减掉
	void* r = reinterpret_cast(reinterpret_cast(p + offset) & (~alignment));

	//将r当作一个指向void*的指针，在r当前地址前面放入原始地址
	static_cast(r)[-1] = p;

	//返回经过对齐的内存地址
	return r;
}

inline void align_free(void* p)
{
	//还原回原始地址，并free
	free(static_cast(p)[-1]);
}

6. 利用alignas指定内存对齐的大小

例如:

alignas(32) long long a = 0;

#define XX 1
struct alignas(XX)MyStruct {};

注意:alignas只能改大不能改小，如果需要改小，需要使用#prama pack(n)，n为对齐字节数。

c++11中与#prama等价的为_Prama（微软暂不支持，vs中暂不能使用）；

_Pragma("pack(1)")
struct MyStruct
{
	char a;
	int b;
	short c;
	long d;
};
_Pragma("pack()")

7. 利用alignof和std::alignment_of获取内存对齐的大小

struct MyStruct
{
	char c;
	int a;
	double b;
};

int main()
{
	//获取内存对齐的大小
	cout << alignof(MyStruct) << endl;  //8

	int alignSize = std::alignment_of::value;
	cout << alignSize << endl;  //8

	system("pause");
    return 0;
}

8. std::max_align_t和std::align操作符

1）std::max_align_t用来返回当前平台的最大默认内存对齐类型。

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

2）std::align用来在一大块内存当中获取一个符合指定内存要求的地址。

std::align的原型为:

void* align( std::size_t alignment,

             std::size_t size,
             void*& ptr,

             std::size_t& space );

char buf[] = "-----------------";
void* p = buf;
std::size_t space = sizeof(buf) - 1;
std::align(alignof(int), sizeof(char), p, space);

在buf这个大内存块中，指定内存对齐为slignof(int)，找一块sizeof(char)大小的内存，并且在找到这块内存后将地址放入p，将buf从p开始的长度当入space。