0.目录
- 内存对齐（memory alignment）
- C++的内存对齐机制
- 常见CPU的未对齐内存访问
1.内存对齐（memory alignment）
内存对齐是从硬件层面出现的概念。可执行程序是由一系列CPU指令构成的，CPU指令中有一些指令需要访问内存。最常见的就是“从内存读到寄存器”，以及“从寄存器写到内存”。在老的架构中（包括x86），也有一些运算的指令是可以直接以内存为操作数，那么这些指令也隐含了内存的读取。在很多CPU架构下，这些指令都要求操作的内存地址（更准确的说，操作内存的起始地址）能够被操作的内存大小整除，满足这个要求的内存访问叫做访问对齐的内存（aligned memory access），否则就是访问未对齐的内存（unaligned memory access）。举例来说，ARM的LDRH指令从内存中读取2个byte到寄存器中。如果指定的内存的地址是0x2587c20，因为0x2587c20这个数能够被2整除，所以这2个byte是对齐的。而如果指定的内存的地址是0x2587c33，因为不能被2整除，所以是未对齐的。
为什么要对齐
- 效率。计算机按照一个固定长度从内存中取数据。如32位机，每次取32位（4个字节）。如果一个int型数据在内存中存放的位置按4字节对齐，也就是全部落在计算机一次取数的区间内，那么只需要取一次。如果不对齐，int数据跨越了取数的边界，就需要取两次才能把数据全部取到
- 平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常
那如果访问未对齐的内存会出现什么结果呢？这个要看CPU。
- 有些CPU架构可以访问未对齐的内存，但是会有性能上的影响，典型的就是x86架构CPU
- 有些CPU会抛出异常
- 有些CPU不会抛出任何异常，会静默地访问错误的地址
- 近几年也有些CPU的一部分指令可以正常访问未对齐的内存，同时不会有性能影响
因为每个CPU对未对齐内存的访问的处理方式都不一样，所以访问未对齐的内存是要尽量避免的。所以就出现了C/C++的内存对齐机制。
2.C++的内存对齐机制
在C++中每个类型都有两个属性，一个是大小（size），还有一个就是对齐要求（alignment requirement），或称之为对齐量（alignment）。C++标准并没有规定每个类型的对齐量，但是一般都会有这样的规律。
- 所有基础类型的对齐量等于这个类型的大小
- struct, class, union类型的对齐量等于他的非静态成员变量中最大的对齐量。
另外，标准规定所有的对齐量必须是2的幂。
编译器在给一个变量分配内存时，都要算出并满足这个类型的对齐要求。struct和class类型的非静态成员变量的字节数偏移（offset）也要满足各自类型的对齐要求。
举例来说，
class MyObject
{
// c是char类型，对齐要求是1
char c; // MyObject的第一个成员变量，字节数偏移为0，占据MyObject的第一个byte
// i是int类型，对齐要求是4
int i; // 字节数偏移必须是对齐要求4的倍数，且变量i在变量c的后面，于是i的字节数偏移就是4
// 占据MyObject的第5到第8个byte，而第2到第4个byte则是空白填充(padding)
// s是short类型，对齐要求是2
short s; // 对齐要求是2，且s在i的后面，所以s的字节数偏移是8，占据MyObject的第9个和第10个byte
}; // MyObject取最大的，也就是4作为他的对齐要求
// 如果在某个函数中声明了MyObject类型的变量，那么分配给这个变量的内存的起始地址是能够被4整除的
// 因为struct、class、union类型的数组的每个元素都要内存对齐
// 所以一般来说struct、class、union的大小都是这个类型的对齐量的整数倍
// 所以MyObject的大小是12，也就是说，变量s后面会有2个byte的空白填充。
因为C++中所有内存访问都是通过变量的读写来访问的，这个机制确保了所有变量都满足了内存对齐，也就确保了程序中所有内存访问都是对齐的。
当然，C++不会阻止我们去访问未对齐的内存。例如，以下的代码就很可能会访问未对齐的内存：
char buf[10];
int* ptr = (int*)(buf + 1);
++*ptr;
这类代码是我们在实际工作中也是能遇到的。事实上这种写法是比较危险的，因为他很可能会去访问未对齐的内存。这也是为什么写c++大家都不推荐用c风格的类型转换写法，而是要用static_cast, dynamic_cast, const_cast与reinterpret_cast。这样的话，上面的代码就必须要使用reinterpret_cast，大家都知道reinterpret_cast是很危险的，也许就会想办法避免这样的逻辑。
内存对齐原则及作用
struct/class/union内存对齐原则有四个：
- 数据成员对齐：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小或者成员的子成员大小（只要该成员有子成员，比如说是数组，结构体等）的整数倍开始(比如int在32位机为４字节, 则要从４的整数倍地址开始存储),基本类型不包括struct/class/uinon。
- 结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部"最宽基本类型成员"的整数倍地址开始存储.(struct a里存有struct b,b里有char,int ,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储.)。
- 收尾工作:结构体的总大小,也就是sizeof的结果,.必须是其内部最大成员的"最宽基本类型成员"的整数倍.不足的要补齐.(基本类型不包括struct/class/uinon)。
- sizeof(union)，以结构里面size最大元素为union的size,因为在某一时刻，union只有一个成员真正存储于该地址。
每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。
- 数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行
- 结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行
- 结合1、2可推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果
也可以使用alignas关键字修改一个类型、或者一个变量的对齐要求。例如：
class MyObject
{
char c;
alignas(8) int i; //i的对齐要求由原本的4变成了8，字节数偏移由4变成了8
short s; //s的字节数偏移由8变成了12
}; //MyObject的对齐要求也变成了8，大小变成了16
//可以对MyObject的定义使用alignas
class alignas(16) MyObject
{
char c;
int i;
short s;
};
//可以在alignas里面写某个类型。也可以使用多个alignas，结果就是使用最大的对齐要求。例如以下MyObject的对齐要求就是16：
class alignas(int) alignas(16) MyObject
{
char c;
int i;
short s;
};
//alignas有一个限制，那就是不能用alignas改小对齐要求
alignas(1) int i; //error
另外，C++中，有一个特殊的类型：max_align_t，所有不大于他的对齐量叫做基础对齐量（fundamental alignment），比这个对齐量大的叫做扩展对齐量（extended alignment ）。C++标准规定，所有平台必须要支持基础对齐量，而对于扩展对齐量的支持要看各个平台。一般来说max_align_t的对齐量等于long double的对齐量。
C++关于内存对齐的支持还有很多功能，例如查询对齐量的alignof关键字，可以创建任意大小任意对齐要求的类型的aligned_storage模板，还有方便模板编程的alignment_of等等，在此就不细述了。
3.常见CPU的未对齐内存访问
根据Intel最新的Intel 64及IA-32架构说明书，Intel 64及IA-32架构都支持未对齐内存的访问，但是会有性能上的额外开销（详见http://www.intel.com/products/processor/manuals）。但是实际上最近的Core系列CPU已经可以无额外开销访问未对齐的内存。
而手机上最常见的ARMv8架构，如果是普通的、不做多核同步的未对齐的内存访问，那么CPU可能会产生对齐错误（alignment fault）或者执行未对齐内存操作。换句话说，到底会报错还是正常执行，是要看具体CPU的实现的。即使是执行正常操作，也会有一些限制。例如，不能保证读写的原子性（操作一个byte的除外），很可能产生额外的开销等（详见https://developer.arm.com/docs/ddi0487/latest/arm-architecture-reference-manual-armv8-for-armv8-a-architecture-profile）。ARMv8中的Cortex-A系列是手机上常见的CPU家族，他们就可以正常处理未对齐内存访问，但是一般会有额外的开销（详见http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.faqs/ka15414.html）。
