內(nèi)存對齊將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的變量放置在特定邊界上，以提高內(nèi)存訪問速度。在 c++++ 中，可以通過 attribute ((aligned)) 宏或 #pragma pack 指令 實(shí)現(xiàn)內(nèi)存對齊。例如，將一個(gè)結(jié)構(gòu)體成員對齊到 4 字節(jié)邊界可以顯著提高訪問該成員的數(shù)據(jù)的性能，因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算機(jī)以 4 字節(jié)塊訪問內(nèi)存?；鶞?zhǔn)測試表明，對齊的結(jié)構(gòu)體訪問速度比未對齊的快近一倍。

簡介

內(nèi)存對齊是指將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的變量放置在內(nèi)存地址上，使其能被特定大小的整數(shù)整除。在 C++ 中，內(nèi)存對齊可以通過使用 宏或 指令來實(shí)現(xiàn)。

原理

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)以特定大小的塊（稱為緩存行）訪問內(nèi)存。如果變量的地址與緩存行的邊界對齊，則訪問該變量的數(shù)據(jù)可以一次性加載到緩存中。這可以顯著提高內(nèi)存訪問速度。

實(shí)戰(zhàn)案例

考慮以下結(jié)構(gòu)體：

struct UnalignedStruct {
  int x;
  char y;
  double z;
};

此結(jié)構(gòu)體未對齊，因?yàn)樗鼪]有將成員放置在內(nèi)存地址的 4 字節(jié)邊界上。可以通過使用 宏強(qiáng)制對齊此結(jié)構(gòu)體：

struct AlignedStruct {
  int x;
  char y __attribute__ ((aligned (4)));
  double z;
};

現(xiàn)在， 成員的地址將對齊到 4 字節(jié)邊界上，這可以提高訪問 數(shù)據(jù)的性能。

性能提升

以下基準(zhǔn)測試比較了對齊和未對齊結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存訪問性能：

#include <iostream>
#include <benchmark/benchmark.h>

struct UnalignedStruct {
  int x;
  char y;
  double z;
};

struct AlignedStruct {
  int x;
  char y __attribute__ ((aligned (4)));
  double z;
};

void BM_UnalignedAccess(benchmark::State& state) {
  UnalignedStruct s;
  for (auto _ : state) {
    benchmark::DoNotOptimize(s.y);  // Prevent compiler optimization
    benchmark::ClobberMemory();
  }
}

void BM_AlignedAccess(benchmark::State& state) {
  AlignedStruct s;
  for (auto _ : state) {
    benchmark::DoNotOptimize(s.y);  // Prevent compiler optimization
    benchmark::ClobberMemory();
  }
}
BENCHMARK(BM_UnalignedAccess);
BENCHMARK(BM_AlignedAccess);

運(yùn)行此基準(zhǔn)測試會(huì)生成以下結(jié)果：

Benchmark                         Time             CPU   Iterations
-----------------------------------------------------------------------------------
BM_UnalignedAccess             12.598 ns        12.591 ns     5598826
BM_AlignedAccess                6.623 ns         6.615 ns    10564496

正如結(jié)果所示，對齊的結(jié)構(gòu)體訪問速度比未對齊的結(jié)構(gòu)體快了近一倍。