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移除书签8.1 对齐支持
类别：部分人
8.1.1 数据对齐
在了解为什么数据需要对齐之前，我们可以回顾一下打印结构体的大小这个C/C++中的经典案例。首先来看看代码清单8-1所示的这个例子。
代码清单8-1
include ＜iostream＞
using namespace std;
struct HowManyBytes{
char a;
int b;
};
int main(){
cout＜＜"sizeof(char):"＜＜sizeof(char)＜＜endl;
cout＜＜"sizeof(int):"＜＜sizeof(int)＜＜endl;
cout＜＜"sizeof(HowManyBytes):"＜＜sizeof(HowManyBytes)＜＜endl;
cout＜＜endl;
cout＜＜"offset of char a:"＜＜offsetof(HowManyBytes,a)＜＜endl;
cout＜＜"offset of int b:"＜＜offsetof(HowManyBytes,b)＜＜endl;
return 0;
}
//编译选项:g++ -std=c++11 8-1-1.cpp
在代码清单8-1中，结构体HowManyBytes由一个char类型成员a及一个int类型成员b组成。编译运行代码清单8-1所示的例子，我们在实验机平台上会得到如下结果：
sizeof(char):1
sizeof(int):4
sizeof(HowManyBytes):8
offset of char a:0
offset of int b:4
可以看到，在我们的实验机上，a和b两个数据的长度分别为1字节和4字节，不过当我们使用sizeof来计算HowManyBytes这个结构体所占用的内存空间时，看到其值为8字节。其中似乎多出来了3字节没有使用的空间。
出现这个现象主要是由于数据对齐要求导致的。通常情况下，C/C++结构体中的数据会有一定的对齐要求。在这个例子中，可以通过offsetof查看成员的偏移的方式来检验数据的对齐方式。这里，成员b的偏移是4字节，而成员a只占用了1字节内存空间，这意味着b并非紧邻着a排列。事实上，在我们的平台定义上，C/C++的int类型数据要求对齐到4字节，即要求int类型数据必须放在一个能够整除4的地址上；而char要求对齐到1字节。这就造成了成员a之后的3字节空间被空出，通常我们也称因为对齐而造成的内存留空为填充数据（padding data）。
在C++中，每个类型的数据除去长度等属性之外，都还有一项“被隐藏”属性，那就是对齐方式。对于每个内置或者自定义类型，都存在一个特定的对齐方式。对齐方式通常是一个整数，它表示的是一个类型的对象存放的内存地址应满足的条件。在这里，我们简单地将其称为对齐值。
对齐的数据在读写上会有性能上的优势。比如频繁使用的数据如果与处理器的高速缓存器大小对齐，有可能提高缓存性能。而数据不对齐可能造成一些不良的后果，比较严重的当属导致应用程序退出。典型的，如在有的平台上，硬件将无法读取不按字对齐的某些类型数据，这个时候硬件会抛出异常（如bus error）来终止程序。而更为普遍的，在一些平台上，不按照字对齐的数据会造成数据读取效率低下。因此，在程序设计时，保证数据对齐是保证正确有效读写数据的一个基本条件。
虽然从语言设计者的角度而言，将对齐方式掩盖起来会使得语言更具有亲和力。但通常由于底层硬件的设计或用途不同，以及编程语言本身在基本（内置）类型的定义上的不同，相同的类型定义在不同的平台上会有不同的长度，以及不同的对齐要求。虽然系统设计者常常会在应用程序二进制接口中（Application Binary Interface，ABI）详细规定在特定平台上数据长度、数据对齐方式的相关信息，但是这两者存在着平台差异性则是不争的事实。在C++语言中，我们可以通过sizeof查询数据长度，但C++语言却没有对对齐方式有关的查询或者设定进行标准化，而语言本身又允许自定义类型、模板等诸多特性。编译器无法完全找到正确的对齐方式，这会在使用时造成困难。让我们来看一下代码清单8-2所示的这个例子。
代码清单8-2
include ＜iostream＞
using namespace std;
//自定义的ColorVector，拥有32字节的数据
struct ColorVector{
double r;
double g;
double b;
double a;
};
int main(){
//使用C++11中的alignof来查询ColorVector的对齐方式
cout＜＜"alignof(ColorVector):"＜＜alignof(ColorVector)＜＜endl;
return 1;
}
//编译选项:clang++-std=c++11 8-1-2.cpp
在代码清单8-2所示的例子中，我们使用了C++11标准定义的alignof函数来查看数据的对齐方式。编译运行代码清单8-2，我们可以看到ColorVector在实验机上依然是对齐到8字节的地址边界上。
alignof(ColorVector):8
这与我们设计ColorVector的原意是不同的。现在的计算机通常会支持许多向量指令，而ColorVector正好是4组8字节的浮点数数据，很有潜力改造为能直接操作的向量数据。这样一来，为了能够高效地读写ColorVector大小的数据，我们最好能将其对齐在32字节的地址边界上。
在代码清单8-3所示的例子中，我们利用C++11新提供的修饰符alignas来重新设定ColorVector的对齐方式。
代码清单8-3
include ＜iostream＞
using namespace std;
//自定义的ColorVector，对齐到32字节的边界
struct alignas(32)ColorVector{
double r;
double g;
double b;
double a;
};
int main(){
//使用C++11中的alignof来查询ColorVector的对齐方式
cout＜＜"alignof(ColorVector):"＜＜alignof(ColorVector)＜＜endl;
return 1;
}
//编译选项:g++ -std=c++11 8-1-3.cpp
编译运行代码清单8-3所示的代码，我们会得到如下结果：
alignof(ColorVector):32
正如我们在代码清单8-3中所看到的，指定数据ColorVector对齐到32字节的地址边界上，只需要声明alignas(32)即可。接下来我们会详细讨论C++11对对齐的支持。
