25、内存对齐

0、课前秀

1、内存对齐介绍

• 内存对齐（字节对齐）：是一个数据类型所能存放的内存地址的属性。当我们说一个数据类型的内存对齐为8时，就是指这个数据类型所定义出来的所有变量的内存地址都是8的倍数。
• 当一个基本数据类型（Fundamental Types）的对齐属性和这个数据类型的大小相等时，这种对齐方式称为自然对齐（Naturally Aligned）。
• 对于结构体而言，默认的对齐将等于其中最大的成员的对齐值。

2、堆内存的内存对齐

• 实际上，malloc一般使用当前平台默认的最大内存对齐数对齐内存。
• 当我们需要分配一块具有特定内存对齐的内存块时，在MSVC下应当使用_aligned_malloc，而在gcc下一般使用memalign等函数。
• aligned_malloc的实现.cpp

#include<assert.h>
inline void* aligned_malloc(size_t size, size_t alignment)
{
    //检查alignment是否是2的N次方
    assert(!(alignment & (alignment - 1)));
    //计算出一个最大的offset，sizeof(void*)是为了存储原始指针地址
    size_t offset = sizeof(void*) + (--alignment);
    
    //分配一块带offset的内存
    char* p = static_cast<char*>(malloc(offset + size));
    if(!p) return nullptr;
    
    //通过"&(~alignment)"把多计算的offset减掉
    void* r = reinterpret_cast<void*>(reinterpret_cast<size_t>(p + offset) & (~alignment));
    
    //将r当作一个指向void*的指针，在r当前地址前面放入原始地址
    static_cast<void**>(r)[-1] = p;
    //返回经过对齐的内存地址
    return r;
}

inline void aligned_free(void* p)
{
    //还原加原始地址，并free
    free(static_cast<void**>(p)[-1]);
}

3、利用alignas指定内存对齐大小

• 使用代码

alignas(32) long long a = 0;

#define XX 1
struct alignas(XX) MyStruct_1 {}; //OK

template <size_t YY = 1>
struct alignas(YY) MyStruct_2 {}; //OK

static const unsigned ZZ = 1;
struct alignas(ZZ) MyStruct_3 {}; //OK

• alignas只能改大不能改小，改小仍然需要使用#pragma pack

4、利用alignof和std::alignment_of获取内存对齐大小

• alignof用来获取内存对齐大小，用法如下：

MyStruct xx;
std::cout << alignof(xx) << std::endl;
std::cout << alignof(MyStruct) << std::endl;

• std::alignment_of的功能是编译期计算类型的大内存对齐。例子

struct MyStruct
{
    char a;
    int b;
    double c;
};

int main()
{
    int alignsize = std::alignment_of<MyStruct>::value;//8
    int sz = alignof(MyStruct);//8
    
    return 0;
}

5、内存对齐的类型std::aligned_storage

• std::aligned_storage可以看成一个内存对齐的缓冲区，它的原型如下：template<std::size_t Len, std::size_t Align = /*default-alignment*/> struct aligned_storage;
• std::aligned_storage一般和placement new结合使用，它的基本用法如下：

#include <iostream>
#include <type_traits>

struct A
{
    int avg;
    A(int a, int b):avg((a+b)/2){}
};

typedef std::aligned_storage<sizeof(A),alignof(A)>::type Aligned_A;

int main()
{
    Aligned_A a,b;
    new (&a) A(10,20);
    b = a;
    std::cout << reinterpret_cast<A&>(b).avg << std::endl;
    return 0;
}

6、std::max_align_t和std::align操作符

• std::max_align_t用来返回当前平台的最大默认内存对齐类型。
• 用如下方式获得当前平台的最大默认内存对齐数：std::cout << alignof(std::max_align_t) << std::endl;
• std::align用来在一大块内存当中获取一个符合指定内存要求的地址，例子如下：

char buffer[] = "-------------";
void* pt = buffer;
std::size_t space = sizeof(buffer) - 1;
std::align(alignof(int), sizeof(char), pt, space);

ReadMe

• 20200514开了个头，20200526白天看完，整理一波，也没感觉到使用场景在哪，先把知识点记下再说吧。