关于C++内存对齐

关于C++内存对齐

---

C++11从标准层面引入了一些和内存对齐相关的特性，标准库也增加了对应的组件，这里稍微总结一下。

取得某个类型的对齐值

C++中的Object（对象）是指一块满足以下条件的内存区域：

1. 具有size属性，即能用sizeof取其大小。
2. 具有alignment属性，即能用alignof取其对齐量。这个在稍后有详细的阐述。
3. 类型
4. ……（lifetime等）

现在已经知道了每个对象都有其类型，这样的类型称为“对象类型”（object type）。每个对象类型都有一个alignment值，该值的类型为std::size_t，且总为2的整数次幂。我们可以通过关键字alignof或标准库中的std::alignment_of（声明位于头文件<type_traits>）获知此值，比如：

struct S { char a; double b }
int main(void)
{
    cout << alignof(S) << endl;
    cout << alignment_of<int>::value << endl;
}

C++17引入了std::alignment_of_v，允许这样的写法：

int main(void)
{
    cout << alignment_of_v<double> << endl;
}

当然，只是语法糖而已。

指定类型的对齐规则

C++11引入了关键字alignas用于修饰类型，它有以下三种使用形式：

1. alignas(expr)，这里expr必须是一个编译期常量表达式，且应为2的整数次幂。
2. alignas(Type)，这个写法等价于alignas(alignof(Type))。
3. alignas(pack...)，这里pack是个模板参数包，相当于对参数包中的每个元素P，同时以alignas(P)来修饰后面的类型。

下面看例子：

struct alignas(16) MyStruct
{
    char ch;
};

int main(void)
{
    MyStruct instanceOfMyStruct;         //instanceOfMyStruct按16字节对齐
    alignas(127 + 1) char charArray[128]; //charArray按128字节对齐
    alignas(int) char ch;                 //ch按alignof(int)字节对齐
    //...
}

堆上对象的内存对齐

我们已经能够指定某个类型的对齐规则了，但对于堆上申请下来的对象还缺乏控制。我们当然可以基于malloc自己写一个，不过已经有下面的几种方案：

1. operator new允许通过一个std::align_val_t类型的参数来显示给出对齐要求，然而这是C++17才引入的，暂时没法广泛使用。
2. 二段式构造。先调用_aligned_malloc（Windows）或者posix_memalign（Posix）拿到一块内存，然后用placement new构造对象。

其他

C++11引入的std::aligned_storage（头文件<type_traits>中）用于获得一块按指定规则对齐的内存块。它相当于：

template<std::size_t Len, std::size_t Align>
struct aligned_storage
{
    struct type
    {
        alignas(Align) unsigned char data[Len];
    };
};

C++11引入的std::max_align_t：“std::max_align_t is a trivial type whose alignment requirement is at least as strict (as large) as that of every scalar type”，也就是任何一个scalar type的默认对齐大小都不会超过alignof(max_align_t)。