C++項目中字節(jié)對齊與CPU效率和內(nèi)存占用

由于C++的項目做的少，又比較小，所以一直沒有注意字節(jié)對齊的問題，但是，字節(jié)對齊在大規(guī)模應(yīng)用中對內(nèi)存管理和CPU執(zhí)行效率的影響應(yīng)是挺大的。本文根據(jù)一些資料學(xué)習(xí)，做一個小總結(jié)。

首先拋出第一個結(jié)論，字節(jié)對齊可以提高CPU的執(zhí)行效率。

根據(jù)（1）中分析，CPU執(zhí)行指令時從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)是按塊操作的，塊的大小可能為2-bytes, 4-bytes, 8-bytes, 16-bytes……

上圖所示4-bytes塊，此時，如果CPU讀取4-bytes或以上大小的數(shù)據(jù)的起始地址為1，則需要至少讀取2個數(shù)據(jù)塊，然后把2個塊中不需要的數(shù)據(jù)拋棄，再將有用數(shù)據(jù)拼接成4-bytes的數(shù)據(jù)，這明顯增加了CPU的操作，影響了CPU指令的執(zhí)行效率。如果CPU讀取數(shù)據(jù)的起始地址在0,4……，則一次只需要讀一個數(shù)據(jù)塊，CPU的讀取指令就是一次原子操作。

字節(jié)對齊就是對CPU讀取的每一個數(shù)據(jù)，都保證其起始地址在數(shù)據(jù)塊的始端，對數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)小于CPU數(shù)據(jù)塊（粒度）的值進行擴充，使得其占用完整的一個粒度的內(nèi)存空間。字節(jié)對齊，節(jié)省了CPU進行數(shù)據(jù)截取和拼接的操作。

另一個結(jié)論，字節(jié)對齊有利于優(yōu)化內(nèi)存。

在結(jié)構(gòu)體中，根據(jù)字節(jié)自動對齊原則，結(jié)構(gòu)體

typedef?struct?_test?{
char?a;
int?b;
char?c;
}?test;

編譯器將采用結(jié)構(gòu)體中字節(jié)數(shù)最大的基本類型int的字節(jié)數(shù)作為對齊標(biāo)準(zhǔn)，char類型將擴充為4-bytes，因此，sizeof(test)=12，但是這樣的內(nèi)存利用效率比較低。

如果通過指定編譯器1字節(jié)對齊，則CPU的執(zhí)行效率就會降低。

#praama?pack(1)
typedef?struct?_test?{
char?a;
int?b;
char?c;
}?test;
#pragma?pack()

為了保證CPU執(zhí)行效率的條件下優(yōu)化程序的內(nèi)存，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)成員的順序

typedef?struct?_test?{
int?b;
char?a;
char?c;
}?test;

此時，結(jié)構(gòu)體成員b占用4個字節(jié)，a和c分享后面的4個字節(jié)，其中兩個成員占用前兩個字節(jié)，后兩個字節(jié)為字節(jié)對齊時填充的無效數(shù)據(jù)，此結(jié)構(gòu)體占用8個字節(jié)的內(nèi)存空間。