内存对齐：如何使用 alignof / alignas？

Posted 2023-02-14

【中文标题】内存对齐：如何使用 alignof / alignas？

【英文标题】：Memory alignment : how to use alignof / alignas?

【发布时间】：2013-06-10 02:14:16

【问题描述】：

我现在使用共享内存。

我听不懂alignof 和alignas。

cppreference 不清楚：alignof 返回“对齐”但什么是“对齐”？为要对齐的下一个块添加的字节数？填充尺寸？ Stack overflow/博客条目也不清楚。

有人能解释清楚alignof和alignas吗？

【问题讨论】：

cppreference 试图成为参考而不是教程

@Cubbi：你也可以在 cplusplus.com 上查看，有争论哪个站点更好，对于某些主题 cplusplus 更好，对于其他 cppreference 更好，我发现两个站点在某些时候都不是够了

@DarioOO 我只是在回答为什么 cppreference 没有在alignof 页面上解释对齐的概念（它现在在进行中的工作object page 上解释了）。我看不出 cplusplus.com 有什么相关性。

另见Where can I use alignas() in C++11。

所有答案都在谈论性能，但有些平台的硬件无法加载未对齐的int

【参考方案1】：

对齐是对可以存储值的第一个字节的内存位置的限制。 （需要提高处理器的性能并允许使用某些指令，这些指令仅适用于具有特定对齐方式的数据，例如 SSE 需要对齐到 16 字节，而 AVX 需要对齐到 32 字节。）

16 对齐意味着只有 16 的倍数的内存地址是唯一有效的地址。

alignas

强制对齐到所需的字节数。您只能对齐 2 的幂：1、2、4、8、16、32、64、128、...

#include <cstdlib>
#include <iostream>

int main() 
    alignas(16) int a[4];
    alignas(1024) int b[4];
    printf("%p\n", a);
    printf("%p", b);

示例输出：

0xbfa493e0
0xbfa49000  // note how many more "zeros" now.
// binary equivalent
1011 1111 1010 0100 1001 0011 1110 0000
1011 1111 1010 0100 1001 0000 0000 0000 // every zero is just a extra power of 2

另一个关键字

alignof

很方便，你不能这样做

int a[4];
assert(a % 16 == 0); // check if alignment is to 16 bytes: WRONG compiler error

但你可以做到

assert(alignof(a) == 16);
assert(alignof(b) == 1024);

请注意，实际上这比简单的“%”（模数）运算更严格。事实上，我们知道对齐到 1024 字节的东西必然会对齐到 1、2、4、8 字节，但是

 assert(alignof(b) == 32); // fail.

所以更准确地说，“alignof”返回 2 的最大幂来对齐某物。

此外，alignof 也是提前了解基本数据类型的最小对齐要求的好方法（它可能会返回 1 表示字符，4 表示浮点数等）。

仍然合法：

alignas(alignof(float)) float SqDistance;

对齐为 16 的东西将被放置在下一个可用地址上，该地址是 16 的倍数（最后使用的地址可能有隐式填充）。

【讨论】：

与sizeof不同，alignof只能应用于type-id。

是在编译时评估的alignof()（和对应的alignas()），所以没有运行时开销？

@Serthy 澄清alignof 是一个编译时常量。 alignas 不是，并且必须由您的 new 实现（标准要求）或自定义标准 allocator 支持。

很好的答案，但它需要处理struct 和static 的结构成员。 alignas 比 __attribute__((aligned)) 更挑剔，尤其是在像 Clang 这样的编译器下。

"对齐 16 意味着只有 16 的倍数的内存地址是唯一有效的地址。" 这是从哪里来的？根据 C++ Stadnard：对齐是实现定义的整数值，表示可以分配给定对象的连续地址之间的字节数。.

【参考方案2】：

对齐不是填充（尽管有时会引入填充来满足对齐要求）。它是 C++ 类型的内在属性。用标准语言表达 (3.11[basic.align])

对象类型具有对齐要求（3.9.1、3.9.2），这些要求限制了可以分配该类型对象的地址。对齐是实现定义的整数值，表示可以分配给定对象的连续地址之间的字节数。对象类型对该类型的每个对象都有对齐要求；可以使用对齐说明符 (7.6.2) 请求更严格的对齐。

【讨论】：

非常有趣。你介意举一些例子吗？ alignof(struct X) == sizeof(struct X) 吗？为什么不呢？

@Offirmo 没有，除非出于巧合：struct X char a; char b 在正常系统上的大小为 2，对齐要求为 1（它可以在任何地址分配，因为 char 可以在任何地址分配）跨度>

对齐要求为 1 ????哦，我明白了：我认为对齐总是在“自然”的 32 位/64 位边界上，但显然不是。这解释了事情......所以在通常的机器上， alignof() 结果将始终最大为 4（32 位）或 8（64 位）我是对的吗？

@Offirmo "natural" alignof 将在 alignof(std::max_align_t) 达到最大值，在我的 linux 上是 16（无论是编译 -m32 还是 -m64），但您可以使用 @ 使其更严格987654325@

【参考方案3】：

每种类型都有对齐要求。通常，这样可以有效地访问该类型的变量，而不必导致 CPU 生成多个读/写访问以访问该数据类型的任何给定成员。此外，它还确保有效复制整个变量。 alignof 将返回给定类型的对齐要求。

alignas 用于强制对数据类型进行对齐（只要不低于alignof 所说的数据类型将返回的严格程度）

【参考方案4】：

对齐是与内存地址相关的属性。简单地说，如果地址 X 与 Z 对齐，则 x 是 Z 的倍数，即 X = Zn+0。这里重要的是 Z 始终是 2 的幂。

对齐是内存地址的一个属性，表示为数字地址模 2 的幂。对于 例如，地址 0x0001103F 模 4 为 3。据说该地址与 4n+3 对齐，其中 4 表示 选择 2 的幂。地址的对齐方式取决于选择的 2 的幂。相同的地址模 8 为 7。如果地址对齐为 Xn+0，则称该地址与 X 对齐。

以上语句可在 microsoft c++ reference 中找到。

如果数据项以与其大小对齐的地址存储在内存中，则该数据项被称为自然对齐，否则未对齐。 例如：如果一个大小为4字节的整型变量存储在一个与4对齐的地址中，那么我们可以说该变量是自然对齐的，即该变量的地址应该是4的倍数。

编译器总是尽量避免错位。对于简单的数据类型，地址的选择使其是变量大小（以字节为单位）的倍数。编译器还会在结构的情况下进行适当的填充，以实现自然对齐和访问。这里结构将对齐到结构中不同数据项的最大大小。例如：

    struct abc
   
        int a;
        char b;
   ;

这里的结构体 abc 对齐到 4，这是 int 成员的大小，明显大于 1 字节（char 成员的大小）。

对齐

此说明符用于将用户定义的类型（如结构、类等）与特定值对齐，该值是 2 的幂。

对齐

这是一种运算符，用于获取与结构或类类型对齐的值。 例如：

#include <iostream>
struct alignas(16) Bar

    int i; // 4 bytes
    int n; // 4 bytes
    short s; // 2 bytes
;
int main()

    std::cout << alignof(Bar) << std::endl; // output: 16

【参考方案5】：

要了解alignas 和alignof，您必须知道数据对齐是什么意思

很好的指南https://developer.ibm.com/articles/pa-dalign//

对齐（简而言之）

说明一

数据对齐意味着将数据放入内存中的地址等于字大小的某个倍数。

说明2

对齐是内存地址的一个属性，表示为以2的幂为模的数字地址。例如，地址 0x0001103F 模 4 为 3。据说该地址与 4n+3 对齐，其中 4 表示选择的 2 的幂。地址的对齐取决于选择的 2 的幂。相同的地址模 8是 7。如果一个地址的对齐方式是 Xn+0，则称该地址与 X 对齐。

CPU 执行对存储在内存中的数据进行操作的指令。数据由它们在内存中的地址标识。单个基准也有大小。如果它的地址与其大小对齐，我们称它为自然对齐的数据。否则称为错位。例如，如果用于标识它的地址具有 8 字节对齐，则 8 字节浮点数据自然会对齐。

好的。您了解“数据对齐” 恭喜！

什么意思alignas

说明

alignas (N) 指定仅将数据放置在 N 的倍数的地址中

N - 以 2 的幂为模的数字

语法：

alignas( the numeric address modulo a power of 2 )
alignas( alignof(type-id) )
alignas( type-id )

alignas 说明符可应用于：

class / struct / union 或 enumeration 的声明或定义；

非位域类数据成员的声明；

一个变量的声明，除了它不能应用于以下：

一个函数参数； catch 子句的异常参数。

示例：

struct alignas(256) name1 // every object of type name1 will be aligned to 256-byte boundary

    float test[4];
;

alignas(128) char name2[128]; // the array "name2" will be aligned to 128-byte boundary

加法1

alignas 类型说明符是一种可移植的 C++ 标准方法 指定变量和用户定义类型的自定义对齐方式。

加法 2

#include <iostream>

struct alignas(16) Bar

    int i;       // 4 bytes
    int n;      // 4 bytes
    alignas(4) char arr[3];
    short s;          // 2 bytes
;

int main()

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

当遇到多个 alignas 说明符时，编译器会选择最严格的一个，（值最大的那个）。

output: 16

加法 3

alignas 不能用于为类型提供比 type 没有这个声明就会有

什么意思alignof

语法：

alignof( type-id )

返回一个std::size_t类型的值

同样的定义有sizeof( type-id )

sizeof 和 alignof 有什么区别？

struct MyStruct

    int x;
    double y;
    char z;
;
    
main() 

    std::cout << "The sizeof(MyStruct): " << sizeof(MyStruct) << std::endl;
    std::cout << "The alignof(MyStruct): " << alignof(MyStruct) << std::endl;

output:
    The sizeof(MyStruct): 24
    The alignof(MyStruct): 8

结构填充

中的问题

结构填充是 C 中的一个概念，它添加一个或多个空 内存地址之间的字节以对齐内存中的数据

更多信息：Struct padding in C++

加法

结果是一个std::size_t类型的常量表达式，也就是说，它可以 在编译时进行评估。

更多信息在这里： Source 1, Source 2,