类的内存对齐

Question

我正在使用游戏引擎架构这本书来开发一个内存管理器。 目前我正在阅读关于内存对齐的内容（在书和网上），但不确定如何正确地为类使用对齐。我理解内存对齐的概念（例如，4字节数据块应位于以0x0、0x4、0x8或0xC结尾的地址上），但是在书中的allocateAligned()函数中有一条注释说对齐必须为2的幂次方。如果我有一个包含两个int和一个char的类，sizeof(class)告诉我，该类大小为12字节。那么，你会把32作为对齐方式来传递吗？这不是浪费内存并可能导致碎片化吗？我的问题是，如何正确地对齐类，你能详细地解释一下吗（如果你想对更大的数据块进行对齐会发生什么），并且对于较大的数据块进行对齐是否有意义（因为处理器一次只获取8个字节，如果我没记错的话）？

- user1347198

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16 也是二的幂。 - chepner

我从未听说过这个二的幂规则。最近在课堂上学习了对齐，看起来这个类应该是12字节（填充以匹配“int”的大小）。 - gsgx

“对齐”是2的幂，但“大小”不是。 - Kerrek SB

聚合体的对齐通常是其元素的最大对齐，而不是它们的总和。 - n. m.

Answer 1

类型的对齐方式永远不能大于类型的大小。这是因为在数组中，元素之间不能有填充。

同样重要的是，类型的对齐方式可能会比类型的大小小。

让我们考虑你的类类型：它有三个成员，两个4字节整数和一个2字节整数。假设4字节整数的对齐方式为4字节，2字节整数的对齐方式为2字节（这很常见）。在这种情况下，你的类类型的对齐方式只有4字节。它可以位于任何4字节边界上，并且它的每个成员都将被正确对齐。

这就是为什么你的类类型有两个字节的填充的原因：12可以被四整除，但10不行。如果你的类没有填充，它的大小只有10字节，在元素的数组中，一半的对象会对齐不正确。

- James McNellis

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如果我有一个类，其中包含一个占用12个字节的实例成员，会发生什么？ - user1347198

@immerhart：对齐仍然可能是四个字节。更大/更严格的对齐仅由奇怪的数据类型（也许是long double？）引起，而不是通过将成员塞入struct来实现。 - aschepler

在这种情况下，该类型的对齐方式将为1字节、2字节或4字节（这些是12的2次幂因子）。 - James McNellis

好的，我想我明白了。有人能告诉我，为什么SIMD（16字节）应该与16字节对齐而不是4字节？ - user1347198

SSE指令要求其操作数在16字节边界上对齐。因此，SSE数据类型需要在这样的边界上对齐。我不知道为什么SSE指令需要超对齐数据。 - James McNellis

Answer 2

类型的对齐方式可以比其大小小，但不能比其大小大。在典型的32位实现中，您的

struct X {
    int a;
    int b;
    char c;
};

你可能会发现 X 的sizeof(X) == 12 和 alignof(X) == 4。显然，你无法每四个字节就有一个 X，因为它们会重叠，但是对齐意味着 0x1000、0x1004、0x1008和0x100c都是你可能开始一个 X 的潜在位置。

请注意，sizeof 返回的类型大小始终是对齐的倍数，因为 sizeof 指定数组元素之间的字节数，你不希望数组中的第一个条目对齐而第二个却没有对齐。

- aschepler