内存对齐 Alignment 与结构体填充

大小与对齐分别回答什么

大小回答一个完整对象占多少字节，对齐回答对象允许放在哪些地址上。alignof(T) 给出 T 的对齐要求；该数值由实现决定，不能把 double 的大小或对齐都固定背成八。满足更严格对齐的位置，也满足较弱的有效对齐要求。

结构体需要安置每个成员，并使整个结构体能作为数组元素连续排列。成员间可能出现内部填充，末尾也可能出现尾部填充。对于普通完整对象，大小必须支持下一个同类型数组元素仍正确对齐；因此 sizeof 不是成员大小的简单求和。

先查询，再提出要求

alignas(T) 让声明至少满足 T 的对齐要求，alignas(数值) 则请求指定的有效对齐。请求必须被目标实现支持，且不能降低对象原本需要的对齐。示例借助 double 的已知类型要求给小结构增加对齐，不假定任意平台都支持某个很大的数值。

优化成员顺序有时能减少空隙，但会改变布局、初始化顺序和可能的 ABI，不能在公开数据格式上随意调整。是否值得重排应以实际目标平台测量为准，而不是把某一种 ABI 的手算结果当成标准定理。

对齐不是对象生命期

一块足够大且对齐的原始存储，并不自动允许你把它解释为任意类对象；对象生命期和合法访问类型也必须满足。把未对齐的字节地址强转为 int* 再读取，不能靠“CPU 允许未对齐访问”洗去语言层面的错误。

处理文件或网络数据时，优先按协议读取字段，或对符合要求的平凡可复制类型使用 memcpy。不要直接写出结构体全部字节作为可移植格式：除端序外，填充、成员表示以及编译器 ABI 都可能不同，填充还可能携带不应公开的残留内容。

最低标准 C++11 · 完整程序 · 下载 .cpp

#include <cassert>
#include <iostream>

struct Record {
    char tag;
    int value;
};

struct alignas(double) AlignedTag {
    char tag;
};

int main() {
    static_assert(alignof(Record) >= alignof(int), "member alignment");
    static_assert(sizeof(Record) % alignof(Record) == 0, "array stride");
    static_assert(alignof(AlignedTag) >= alignof(double), "requested alignment");
    Record items[2] = {{'a', 10}, {'b', 20}};
    assert(items[1].value == 20);
    std::cout << items[0].tag << ' ' << items[1].value << '\n';
}

在本地编译

g++ -std=c++11 -Wall -Wextra -Wpedantic -pthread basics-alignment.cpp -o example && ./example

预期结果

a 20

CHECK YOUR UNDERSTANDING

合上答案，试着解释。

为什么 struct S { char c; int x; }; 不能仅根据成员声明就断言 sizeof(S) == 5？需要哪些目标信息？

继续查证

• C++ 工作草案 [basic.align]：对齐要求

标准草案链接会随工作草案更新；本文版本标记对应示例最低要求，不表示草案中的所有新规则都适用于旧标准。