为什么编译器会抱怨对齐？

Question

我想更多地了解对齐。为什么Microsoft编译器（Visual Studio 2012 Express）会抱怨以下代码片段的对齐方式？

__declspec(align(16)) class Foo
{
public:
    virtual ~Foo() {}
    virtual void bar() = 0;
};

这是编译器向我呈现的警告：

warning C4324: 'Foo' : structure was padded due to __declspec(align())

即使这个类没有任何虚方法，也并不重要。即使是一个空的类，编译器也会显示相同的警告信息。一个空类如何对齐？编译器如何填充这个类？

- Jan Deinhard

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它的对齐方式是根据你明确告诉编译器的对齐方式——16字节对齐。这需要16字节的填充。如果没有这个，一个空结构体应该是1字节对齐，并且大小为1。空类是“特殊”的，因为标准要求没有完整的对象大小为0，所以如果一个类没有数据成员或基类，它总是需要一些填充，除非它有虚函数表。对齐要求意味着它需要更多的空间。 - Steve Jessop

尝试将警告级别降至4级，而不是选择“全部”。启用“全部”警告后，它会抱怨所有东西，包括你最喜欢的颜色和狗的名字。 - Mysticial

好的，但它似乎不是自然对齐方式。如果我没有明确告诉编译器以某种方式对齐它，我想了解一个空类如何对齐。 - Jan Deinhard

按照定义，类的对齐必须是其大小的因素，因此查看一个没有__declspec(align())的空类的大小。如果它是1，则必然对齐为1。此外，C++11有一个alignof运算符，因此如果您可以从Visual C++中获取该值，则可以消除所有疑虑。 - Steve Jessop

哦，等等，算了。我撤回我的评论（但不会真的删除它）。你收到的警告不是我通常在打开Wall时看到的结构填充警告。 - Mysticial

Answer 1

警告并不一定意味着你做错了什么，而是告诉你你可能没有预期的行为。请注意，编译器可以对开发人员认为值得警告的任何事情发出警告。原则上，您也可能会收到有关在13号星期五编译的警告。

在这种特定情况下，假设可能是当您指定对齐方式时，您不希望使类变大。因此，如果由于您给出的对齐要求而使类变大，那么您犯了错误的可能性不小。

当然，这就引出了一个问题，即为什么对齐要求会使类变大。现在我们回到了标准领域（虽然__declspec本身是Microsoft扩展，而不是标准）。C++标准要求数组中的对象彼此紧密相连，之间没有任何空隙。因此，如果您的对象必须对齐到16字节边界，则该对象的大小必须是16的倍数。如果成员变量的大小（显式和隐式）不能达到所需的大小，编译器就必须向对象中添加未使用的字节。这些字节称为填充。请注意，即使是非数组成员对象也存在这些填充字节。

现在，您的类仅包含一个隐式虚拟指针（因为它包含虚拟函数），这个指针根据架构的不同可能是4或8个字节。由于您请求16字节对齐方式，编译器必须添加12或8个字节的填充以使大小成为16的倍数，而如果没有手动对齐规范，它就不必添加。这就是编译器发出警告的原因。

- celtschk

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应该有一个“警告：你今天早上9点开始工作，现在已经晚上8点了。去吃点东西，你正在低血糖中迷糊，你的代码毫无意义。” - Steve Jessop

Answer 2

当您使用__declspec(align())或alignas()增加结构体的对齐方式时，它不仅会使您的结构体更加严格地对齐，而且可能需要在结构体末尾进行填充，根据这个规则：

一个结构体的大小是其对齐方式的最小倍数，大于或等于其最后一个成员的偏移量。

换句话说，如果您将结构体的对齐方式提高到16，您最好确保结构体的大小也是16的倍数，否则您的结构体由于填充而可能发生大小变化，这可能导致您的程序崩溃（编译器无法确定您依赖于结构体的大小以及您是否了解此规则，因此会发出警告）。

- rustyx

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优秀的回答。谢谢。 - Alex Moreno

Answer 3

在x86架构中，Foo需要4个字节，因此需要12个字节的填充。而在x64架构中，Foo需要8个字节，因此只需要8个字节的填充。

- mark

Answer 4

这个警告的意思是，使用__declspec(align())会导致类的大小（由sizeof返回）发生改变（增加），这可能会破坏某些东西，因此会出现警告。

空类当然有一个大小，必须大于0，因此至少为1。

通常情况下，大小不会随着对齐而改变，但在您的情况下，它确实会发生变化，因为您指定的对齐方式大于类的未填充大小。请记住，在C中，类型的对齐方式不能小于其大小，实际上大小必须是对齐方式的倍数，因此为了匹配对齐方式，大小被增加。

为什么大小必须是对齐方式的倍数？好吧，想象一下这种类型的数组：连续的元素必须恰好相隔sizeof(T)，但每个对象必须在对齐的内存地址中。解决这个方程式的唯一方法是sizeof(T)必须是对齐的倍数（非空）。

- rodrigo

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因为您指定的对齐方式大于类的未填充大小，所以出现了这种情况。这并不完全正确。一个有3个字符的对象，对齐到2，将会得到1个额外的字节填充。 - Mooing Duck

@MooingDuck：您当然是正确的。我的意思是：“如果所需对齐方式大于大小，则大小将增加”，而不是“仅当”。 - rodrigo