为什么要做字节对齐 alignment？

下面这段 C++ 代码的输出是什么？定义的 Type 占用的字节数（下面简称为字节数）是多少呢？

#include 

struct Type {
	char a;
	int b;
};

int main(void) {
	std::cout << sizeof(Type) << '\n';
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

经过编译运行，在 x86-64 Linux 机器上输出的结果是 8。如果将成员变量的字节数相加求和，等于 1 + 4 = 5 字节。那多出来的 3 字节做什么了？

一般，我们会把多出的 3 字节用来做字节对齐。也就引出了文章标题提出的问题：为什么要做字节对齐呢？多占用的字节有什么用处？

首先，程序加载进内存后，需要将指令、数据读取到 CPU 中；CPU 读取数据的速度要远远超过内存的。为了缓解速度差异，引入了 Cache 机制。

而在读写 Cache 中的数据时，一般都是按照一定大小来操作的，这个概念被称为 “Cache line”。在因特尔芯片中，一次操作的大小是 64 个字节。假如现在类型 Type 的对象存储在 Cache 的地址分别为 [60, 61, 62, 63, 64]。如果现在 CPU 去读这个对象，你会发现，它正好分布在两个 Cache line 中（分别是 [0,63] 和 [64, 127]），因此要读两次。

为了尽可能让每次操作都能够访问到完成的数据，而不是分两次进行。编程语言都会引入字节对齐 Alignment 机制（也与 C++ 的处理机制差不多）：

1. 首先，设定每一个基础类型的 alignment 大小，都是 2 的幂。C++ 在 x86-64 Linux 机器上的 alignment 情况如下表（可以通过 alignof(Type) 函数查看）：

   类型	sizeof(Type)	alignof(Type)
   char (unsigned char)	1	1
   short (unsigned short)	2	2
   int (unsigned int)	4	4
   long (unsigned long)	8	8
   float	4	4
   double	8	8
   long double	16	16
   T*	8	8

2. 要求某一类型的第一个字节的地址能被 alignment 整除。也就是说，存放 int 值的地址必须是 4 的倍数。

3. 如果是用户自定义类型，比如文章开头的 struct，它的 alignment 等于 max(所有成员变量的 alignment），也就是 int 类型的 4。

4. 并且要求 sizeof(Type) 必须是 alignof(Type) 的倍数。

以 Type 为例，它的成员变量占用字节和为 5，不是 4 的倍数，所以要在 a 后面填充 3 个 byte 空闲字节，将 Type 字节数扩充为 8。你会发现 [8n, 8n+1,…, 8n+7] 总是会在一个 Cache line 里。

看到这有的朋友可能会问，这个真的一定会确保对象都在一个 Cache line 里吗？

答案是不能，比如将 Type 改写为下面的形式：

struct Type {
	char a;
	int b;
	int c;
};
1
2
3
4
5

首先，通过上面的讲解大家应该都能知道现在 sizeof(Type) == 12，但是 64 不能被 12 整除，也就无法保证对象一定在一次 Cache line 里。

也就是说，字节对齐只是尽可能减少对象需要 Cache line 的统计学次数。

关于不同字节数大小的类型，需要的访问 Cache line 预计次数，可以参考这篇文章。你会发现 9 和 12 字节的预计次数竟然是一样的！

总结

• 字节对齐的目的是尽可能减少对象需要 Cache line 的统计学次数。
• 而且，多占用的字节，无法直接访问。