一、引言

在C++編程中，內存對齊是一個重要的概念，它關乎于數據在內存中如何布局以提高訪問效率。C++11標準引入了兩個關鍵的特性來支持內存對齊：alignof和alignas。這兩個特性提供了對內存對齊的直接控制，讓開發者能夠更好地優化程序性能。本文將深入介紹alignof和alignas的相關知識，幫助小白從入門到精通。

二、內存對齊的概念和作用

2.1 什么是內存對齊

內存對齊是指數據在內存中的存儲地址必須滿足特定的對齊要求，通常是該類型大小的倍數。例如，int類型通常對齊到4字節邊界，double類型通常對齊到8字節邊界。內存對齊是一個整數，意味著該數據成員地址只能位于內存對齊的倍數上，而對齊之間的未使用空間被稱為填充數據。

以下代碼展示了內存對齊的現象：

#include <iostream>
using namespace std;struct HowManyBytes{char     a;int      b;
};int main() {cout << "sizeof(char): " << sizeof(char) << endl;cout << "sizeof(int): " << sizeof(int) << endl;cout << "sizeof(HowManyBytes): " << sizeof(HowManyBytes) << endl;cout << endl;cout << "offset of char a: " << offsetof(HowManyBytes, a) << endl;	//0cout << "offset of int b: " << offsetof(HowManyBytes, b) << endl;	//4return 0;
}

在上述代碼中，成員a占1個字節，成員b占4字節，但結構體HowManyBytes的大小為8字節，這是因為C/C++對數據結構有著對齊要求，b的位置為4而不是1，a之后的1、2、3三個字節為填充數據。

2.2 內存對齊的優勢

內存對齊主要有以下兩點優勢：

• 跨平臺：有些平臺要求內存對齊，否則程序無法運行。不同硬件平臺對存儲空間的處理上存在很大的不同，某些平臺對特定類型的數據只能從特定地址開始存取，而不允許其在內存中任意存放。例如Motorola 68000處理器不允許16位的字存放在奇地址，否則會觸發異常，因此在這種架構下編程必須保證字節對齊。
• 性能：內存對齊有利于提高數據緩存速度。盡管內存是以字節為單位，但是大部分處理器并不是按字節塊來存取內存的，它一般會以雙字節、四字節、8字節、16字節甚至32字節為單位來存取內存，我們將上述這些存取單位稱為內存存取粒度。假如沒有內存對齊機制，數據可以任意存放，處理器在讀取數據時可能需要進行多次內存訪問才能獲取完整的數據，這會顯著降低性能。而合理的內存對齊可以減少CPU的內存訪問開銷，提高程序的運行效率。

三、alignof運算符

3.1 定義和作用

alignof是一個操作符，用于查詢類型或變量的對齊要求。它返回一個std::size_t類型的值，表示類型或變量的對齊字節數。在C++11之前，對齊方式是無法得知的，只能自己判斷，且不同的平臺實現方式可能不同，而alignof操作符可以讓開發者在編譯期確定某個數據類型的內存對齊要求。

3.2 語法規則

alignof的語法非常簡單，其基本形式為：

alignof(type);

其中type是要查詢對齊要求的類型，可以是基本類型、結構體、類等。例如：

#include <iostream>struct MyStruct {char c;int i;
};int main() {std::cout << "Alignment of char: " << alignof(char) << std::endl;std::cout << "Alignment of int: " << alignof(int) << std::endl;std::cout << "Alignment of MyStruct: " << alignof(MyStruct) << std::endl;return 0;
}

在上述代碼中，alignof(char)返回char類型的對齊字節數，通常為1；alignof(int)返回int類型的對齊字節數，通常為4；alignof(MyStruct)返回結構體MyStruct的對齊字節數，取決于結構體中最大對齊要求的成員，這里為4。

3.3 使用示例

下面是更多關于alignof的使用示例：

#include <iostream>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";return 0;
}

運行上述代碼，輸出結果如下：

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

從輸出結果可以看出，alignof可以準確地查詢出不同類型的對齊要求。

3.4 注意事項

• 不支持獲取不完整類型或變量對齊值：C++11支持操作符alignof獲取定義完整類型的內存對齊要求，但不支持獲取不完整類型或變量對齊值。例如：

#include <iostream>
using namespace std;class InComplete;
struct Completed{};int main() {int a;long long b;auto & c = b;char d[1024];// 對內置類型和完整類型使用alignofcout << alignof(int) << endl;          //  4cout << alignof(Completed) << endl;   //  1// 對變量、引用或者數組使用alignof，以下代碼無法編譯// cout << alignof(a) << endl;// cout << alignof(b) << endl;// cout << alignof(c) << endl;// cout << alignof(d) << endl;// 本句無法通過編譯，Incomplete類型不完整// cout << alignof(InComplete) << endl;return 0;
}

• 跨平臺差異：不同編譯器和不同平臺對基本類型的默認對齊要求可能略有不同，因此使用alignof時需要注意平臺兼容性問題。

四、alignas說明符

4.1 定義和作用

alignas是一個對齊說明符，用于指定變量或類型的最小對齊要求。alignas可以用于變量聲明或類型定義中，以確保所聲明的變量或類型實例具有特定的對齊。它允許開發者顯式指定類型或對象的對齊方式，而不是依賴于編譯器的默認對齊方式。

4.2 語法規則

alignas的語法如下：

alignas(alignment) type variable;

其中alignment是一個整數或常量表達式，表示字節對齊數，type是聲明的類型，variable是變量。alignment必須是求值為零或合法的對齊或擴展對齊的整型常量表達式，且通常為2的冪次方（如1、2、4、8、16等）。例如：

struct alignas(16) MyStruct {int x;float y;
};

在上述代碼中，MyStruct被指定為16字節對齊，即每個MyStruct類型的對象都必須在內存中以16字節對齊的方式存儲。

4.3 使用示例

下面是一些關于alignas的使用示例：

#include <iostream>// 每個 sse_t 類型的對象將會按照 32 字節的邊界對齊：
struct alignas(32) sse_t {float sse_data[4];
};// 數組 cacheline 將會按照 64 字節的邊界對齊：
using cacheline_t = alignas(64) char[64];
cacheline_t cacheline;int main() {sse_t x;std::cout << "Alignment of sse_t: " << alignof(sse_t) << std::endl;std::cout << "Address of x: " << &x << std::endl;std::cout << "Alignment of cacheline_t: " << alignof(cacheline_t) << std::endl;std::cout << "Address of cacheline: " << &cacheline << std::endl;return 0;
}

運行上述代碼，輸出結果如下：

Alignment of sse_t: 32
Address of x: 0x7ffef1f24c40
Alignment of cacheline_t: 64
Address of cacheline: 0x7ffef1f24c80

從輸出結果可以看出，x的地址是以32字節對齊的，cacheline的地址是以64字節對齊的，說明alignas成功地指定了類型的對齊要求。

4.4 注意事項

• 表達式要求：對于alignas(expression)，表達式必須是0或冪為2（1、2、4、8、16、…）的整型常量表達式。所有其他表達式的格式不正確，要么會被編譯器忽略掉。
• 不能修飾的對象：alignas不能應用于函數形參或catch子句的異常形參。例如：

alignas(double) void f(); // 錯誤：alignas不能修飾函數

• 對齊要求不能削弱自然對齊：如果某個聲明上的最嚴格（最大）alignas比當它沒有任何alignas說明符的情況下本應有的對齊更弱（即弱于其原生對齊，或弱于同一對象或類型的另一聲明上的alignas），那么程序非良構。例如：

struct alignas(8) S {};
struct alignas(1) U { S s; }; // 錯誤：如果沒有 alignas(1) 那么 U 的對齊將會是 8

• 無效的非零對齊：無效的非零對齊，例如alignas(3)是非良構的。同一聲明上，比其他alignas弱的有效的非零對齊被忽略，始終忽略alignas(0)。

五、alignof和alignas的結合使用

alignof和alignas可以結合使用，alignof可以用來驗證alignas設置的對齊是否生效。例如：

#include <iostream>struct alignas(16) MyStruct {int x;double y;
};int main() {std::cout << "alignof(MyStruct): " << alignof(MyStruct) << std::endl;return 0;
}

在上述代碼中，MyStruct被指定為16字節對齊，通過alignof(MyStruct)可以驗證其對齊要求確實為16字節。運行上述代碼，輸出結果如下：

alignof(MyStruct): 16

六、實際應用場景

6.1 性能優化

某些CPU架構對未對齊訪問支持不好，強制對齊可以提升性能。在多媒體處理、科學計算和游戲開發等領域，正確的內存對齊可以顯著提升數據處理速度。例如，在使用SIMD指令集時，需要將數據對齊到指定的字節邊界，否則可能會導致性能下降。

6.2 跨平臺開發

不同平臺的默認對齊可能不同，通過alignof可以統一判斷，使用alignas可以確保在不同平臺上都能滿足特定的對齊要求。例如，在進行跨平臺的數據傳輸時，為了保證數據的一致性和正確性，需要對數據進行統一的對齊處理。

6.3 內存池設計

分配內存時要考慮對齊，確保不同類型都能正確放置。在內存池設計中，使用alignas可以保證分配的內存塊滿足特定的對齊要求，提高內存的使用效率。例如：

#include <iostream>
#include <cstddef>// 自定義內存池類
class MemoryPool {
public:MemoryPool(std::size_t blockSize, std::size_t align) : blockSize_(blockSize), align_(align) {// 分配內存pool_ = new char[blockSize_];// 調整內存地址以滿足對齊要求char* alignedPool = reinterpret_cast<char*>(std::align(align_, blockSize_, pool_, blockSize_));if (!alignedPool) {throw std::bad_alloc();}current_ = alignedPool;}~MemoryPool() {delete[] pool_;}void* allocate(std::size_t size) {if (current_ + size <= pool_ + blockSize_) {void* result = current_;current_ += size;return result;}return nullptr;}private:char* pool_;char* current_;std::size_t blockSize_;std::size_t align_;
};int main() {// 創建一個1024字節、16字節對齊的內存池MemoryPool pool(1024, 16);// 從內存池中分配一個32字節的內存塊void* ptr = pool.allocate(32);if (ptr) {std::cout << "Allocated memory address: " << ptr << std::endl;} else {std::cout << "Memory allocation failed." << std::endl;}return 0;
}

在上述代碼中，MemoryPool類用于管理一個內存池，通過std::align函數調整內存地址以滿足對齊要求，確保分配的內存塊是對齊的。

6.4 與硬件通信

在與硬件直接交互的編程中，如驅動開發或嵌入式系統編程，內存對齊也是一個必須考慮的因素。例如，DMA（直接內存訪問）或寄存器訪問時通常有嚴格的對齊要求，使用alignas可以確保數據滿足硬件的對齊要求，避免出現訪問錯誤。

七、總結

alignof和alignas是C++11中非常有用的特性，它們為開發者提供了對內存對齊的直接控制。alignof用于查詢類型或變量的對齊要求，alignas用于指定變量或類型的最小對齊要求。合理使用alignof和alignas可以提高程序的性能，特別是在需要高性能優化的代碼中，如多媒體處理、科學計算和游戲開發等領域。同時，在跨平臺開發、內存池設計和與硬件通信等場景中，alignof和alignas也能發揮重要作用。在使用alignof和alignas時，需要注意其語法規則和使用限制，以確保代碼的正確性和可移植性。希望本文能夠幫助你深入理解和掌握C++11中alignof和alignas的使用方法。