C/C++ Memory Alignment

魔法偽娘帕秋莉

5 min readJul 2, 2020

起因

x86/ARM 上，變數在記憶體上並不是起始於隨意的位置。而會是該類類型大小的整數倍，這樣讀取資料（變數）可以比較快。

為什麼不是隨意 bytes 位置

CPU 通常是讀 Word (4/8 bytes)，假如是隨意的 bytes 位置，那就有可能為了讀一個uint16_t (2 bytes) 去讀兩個 words，會比較慢。

所以有時會在「連續」的變數之間出現 gap。

uint32_t a;  // 4 bytes
char gap[N]; // N bytes
uint64_t b;  // 8 bytes

這個 N ，可以是 0 或 4（因為uint32_t只要求起始於 4 的倍數的位置）。另外，gap 的值並沒有保證是 0。

Struct (Not c++ class)

通常一個 Struct 的 Alignment (起始位置是 k倍數) 會去考慮裡面最寬的成員。

k 是最寬的寬度
Struct 的起始位置會是 k倍數
尾巴也有可能補足 bytes 使得整個 Struct 大小是 k倍數

主要原因是考量到 Struct 被作為陣列使用時，每個成員的對齊仍然需要滿足前面所說的條件。

Struct Example

首先來看一個範例：

struct bar {
    char c;      // 1 byte
    uint64_t v1; // 8 bytes
    uint16_t v2; // 2 bytes
};

struct bar 會是 8-byte alignment 的（位置是 8 的倍數），因為裡面有 uint64_t。

並且 padding 會長得像是這樣，因為 uint64_t 是 8-byte alignment。

由於 Struct 本身是 8-byte alignment，所以尾巴會有 6 bytes。

struct bar {
    char c;         // 1 byte
    char gap[7];    // 7 bytes
    uint64_t v1;    // 8 bytes
    uint16_t v2;    // 2 bytes
    char unused[6]; // 6 bytes 
};

假如是一個 2-byte alignment 的 struct：

struct foo {
    uint16_t a;  // 2 bytes
    char c;      // 1 byte
    char pad[1]; // 1 byte
}

重排成員

適當重排 Struct 成員可以減少 Struct 的 padding。

本來 Padding 用掉： 7 + 6 = 13

struct bar {
    char c;      // 1 byte
    uint64_t v1; // 8 bytes
    uint16_t v2; // 2 bytes
};

調換成員的位置後Padding： 5

struct bar {
    uint64_t v1; // 8 bytes
    uint16_t v2; // 2 bytes
    char c;      // 1 byte
};

對 Struct 重排成員是也有著壞處，程式也是要給人看的，這可能會影響到可讀性。

效能也可能有影響，本來擺在一起的成員是紀錄同一個功能的，快取本來可以處理到這塊，但分開後快取效果就消失了。

Packed Struct

不過 c/c++ 並不是沒有把 padding 排除的選項，下編譯參數或者使用巨集都可以讓這 Padding 消失。

struct __attribute__((__packed__)) foo3 {
    char c;
    uint64_t v1;
    uint16_t v2;
};
// sizeof(foo3) == 9

測試

offsetof(TYPE, MEMBER) 可以取得 type 裡面 member 的位置。
sizeof

C/C++

#include <iostream>struct foo1 {
    char c;
    uint64_t v1;
    uint16_t v2;
};struct foo2 {
    uint64_t v1;
    uint16_t v2;
    char c;
};int main() {
    std::cout << "foo1:" << sizeof(foo1) << "\\\\n";
    std::cout << "foo2:" << sizeof(foo2) << "\\\\n";    std::cout << "offset of foo1::c: " << offsetof(foo1, c) << "\\\\n";
    std::cout << "offset of foo1::v1: " << offsetof(foo1, v1) << "\\\\n";
    std::cout << "offset of foo1::v2: " << offsetof(foo1, v2) << "\\\\n";    std::cout << "offset of foo2::v1: " << offsetof(foo2, v1) << "\\\\n";
    std::cout << "offset of foo2::v2: " << offsetof(foo2, v2) << "\\\\n";
    std::cout << "offset of foo2::c: " << offsetof(foo2, c) << "\\\\n";    return 0;
}

Golang❓

不支援 packed struct，請參考 cgo#struct-alignment-issues