内存对齐与 sizeof 计算

一、什么是内存对齐（Alignment）？

数据在内存中的起始地址应为 其类型对齐值（alignof）的整数倍。例如 int（4 字节）起始地址应当 4 的倍数，double（8 字节）应为 8 的倍数。CPU 按字访问，未对齐访问轻则慢（多次总线访问），重则硬件异常（某些平台）。

二、为什么需要对齐？

1. 性能：现代 CPU 以「字（word，如 8 字节）」为单位从内存读数据。若 8 字节 double 跨越两个 8 字节 cache line/总线周期，需读两次拼接 → 慢。
2. 硬件要求：部分架构（如部分 RISC/未对齐会 fault）强制对齐，否则崩溃。
3. 原子性/可移植：对齐保证 std::atomic 等在地址上有正确字边界。

三、对齐规则（C/C++）

结构体整体大小要满足：结构体大小是其「最大成员对齐值」的整数倍（并在成员间插入 padding 令每个成员都对齐）。

手算步骤：

1. 每个成员的偏移须为自身对齐值的倍数，不足则补 padding。
2. 结构体总大小须为最大成员对齐值的倍数，末尾补 padding。

四、经典手算题

struct A {
    char  c;   // 1 字节，offset 0
    int   i;   // 4 字节，offset 1→补3变4（第0~3填c+3padding）
    short s;   // 2 字节，offset 8
    // 已到 10；最大对齐 4，需补到 12
};
sizeof(A) == 12

struct B {
    double d;  // 8 字节 offset 0
    char  c;   // 1 字节 offset 8
    int   i;   // 4 字节 offset 9→补3变12
    // 到16；max align 8 → 16
};
sizeof(B) == 16

顺序影响大小：成员按「从大到小 / 对齐值从高到低」声明可减少 padding：

struct C { char c; int i; char c2; }; // 1+3+4+1+3(pad) =12
struct D { int i; char c; char c2; }; // 4+1+1+2(pad)   =8   ← 更省

五、alignof / alignas / 结构体内存细节

alignof(int)            // 4
struct alignas(16) S {}; // 强制定 16 字节对齐

• alignas 提高对齐；offsetof 取成员偏移。
• 空 struct：C++ 空 struct/class 大小为 1（每个对象需唯一地址）。作为成员优化掉？见 EBO：空基类优化让基类不额外占位。

六、常见追问

Q1. 为什么结构体带引用/指针/虚函数会增加对齐？

• 引用成员、指针：sizeof = 指针大小(8)，对齐 = 8。
• 含虚函数：开头多一个 vptr（8 字节），相当于对象首成员对齐 8。

Q2. #pragma pack 是什么？

#pragma pack(1) 取消自动填充 / #pragma pack(4) 指定对齐，用于网络协议、文件头、跨平台结构（节省、匹配特定二进制布局）。代价：该结构若被写成非对齐地址访问可能变慢/不可移植。

#pragma pack(push, 1)
struct NetHeader { char type; int len; };  // 大小5（正好连续）
#pragma pack(pop)

Q3. 对齐和缓存行（cache line）关系？

cache line（×86 通常 64 字节）：假共享 false sharing（相邻缓存行冲突）。alignas(64) 让热点数据独占 64 字节可避免（多线程写相邻变量时的性能问题）。

Q4. malloc 返回的地址对齐吗？

保证能存放任何标准类型的地址（一般 16 字节对齐给 long double/vector 等），所以 new/malloc 出来的对象天然对齐。

七、实战提醒

手写容器/内存池时若要用自定义原始 buffer 存多种类型，需 alignas(max_align_t) 或 alignof(T) 处理，否则 UB——这也是手写 vector/optional 常常用 alignas + placement new 的原因。