C++新特性“CPU优化对齐”

哈喽各位读者伙伴大家好本篇文章讲一下C++新特性 alignas&alignof

在这之前我们大家应该先了解一下数据对齐的问题

什么是数据对齐问题呢？

以下是两个结构体在内存中的分布图:

为什么要数据对齐呢？首先是CPU 电脑中的CPU（单核或者多核）对数据对齐有着迫切的追求一个好的字节长度可以让CPU运行起来更加的轻松不好的对齐只会让程序运行的速度减慢甚至抛出错误

一向以高性能著称的C++语言早在C++11之前就已经出了控制数据对齐的方法我现在来介绍几个:

使用宏来获取数据对齐长度:

#include<cstddef>
#define ALIGNOF(type,result) \
struct type##_alignof_trick  \
{                            \char c;                  \type member;             \
};                           \
result=offsetof(type##_alignof_trick,member);
int main()
{int x1=0;ALIGNOF(short, x1);return 0;
}

这段代码看起来比较抽象难以理解我来介绍一下:

1.<cstddef>头文件

是C++标准库中的头文件，其中包含了一些与大小和指针相关的类型和函数定义。主要包括以下内容：

std::size_t：无符号整数类型，用于表示对象的大小或数组的元素数量。
std::ptrdiff_t：带符号整数类型，用于表示指针之间的差值。
空指针常量（nullptr）：用于表示空指针。
offsetof 宏：用于获取结构体成员相对于结构体起始地址的偏移量。

此外，该头文件还可能包含其他与指针、数组和内存操作相关的常量、宏和函数定义。

2. type##_alignof_trick

type##_alignof_trick 是一个宏定义中的技巧，通常用于在不支持 alignof 运算符的旧版本编译器中获取类型的对齐值。这种技巧通过创建一个包含指定类型的成员变量的结构体，并使用 offsetof 宏来计算其偏移量，从而间接地得到类型的对齐值。

3.结构体部分

结构体里面有有一个字符型成员 c 和待测类型的成员变量 member

4.\符号

反斜杠（\）被用作换行符的续行符。它允许将一个长的宏定义分成多行以提高可读性。

在C和C++中，反斜杠后面跟着一个换行符会告诉编译器将该宏定义延续到下一行。这样可以将较长的宏定义分解为更易于阅读和理解的多个部分。

在这个代码中使用了多个反斜杠来将ALIGNOF宏定义拆分成多行，并确保每行结尾处没有意外的空格或其他字符。这有助于提高代码的可读性和维护性。

如果不能使用正确的\ 就会报错

C++11标准之前获取厂商的对齐长度:

在MSVC中，可以使用__alignof关键字来获取数据类型的对齐长度。例如，要获取整型变量的对齐长度，可以使用以下代码：

#include <iostream>int main() {std::cout << __alignof(int) << std::endl;return 0;
}

GCC

在GCC中，可以使用__alignof__关键字来获取数据类型的对齐长度。例如，要获取整型变量的对齐长度，可以使用以下代码：

#include <iostream>int main() {std::cout << __alignof__(int) << std::endl;return 0;
}

C++11 统一控制数据对齐长度的方法了

alignof运算符用于获取给定类型的对齐要求（以字节为单位）。以下是alignof运算符的使用示例：

#include <iostream>struct MyStruct {int a;char b;
};int main() {std::cout << alignof(int) << std::endl;       // 输出：4 (整型的对齐要求通常是4字节)std::cout << alignof(char) << std::endl;      // 输出：1 (字符类型的对齐要求通常是1字节)std::cout << alignof(double) << std::endl;    // 输出：8 (双精度浮点数的对齐要求通常是8字节)MyStruct obj;std::cout << alignof(MyStruct) << std::endl;  // 输出：4 (结构体MyStruct的对齐要求根据其中成员的最大对齐要求而定)return 0;
}

注意alignof运算符不能够测量对象的对齐长度要想测量对象的对齐长度使用编译器厂商提供的方法

alignas说明符定义结构体对齐长度

说明结构体类型的对齐字节长度总是要大于或者等于结构体成员的对齐长度如果小于则声明失效

以下为代码实例:

#include <iostream>struct alignas(16) AlignedStruct {int a;char b;
};int main() {alignas(8) int alignedInt;  // 将整型alignedInt的对齐要求设置为8字节alignas(double) char alignedCharArray[16];  // 将字符数组alignedCharArray的对齐要求设置为double的对齐要求std::cout << alignof(alignedInt) << std::endl;     // 输出：8 (alignedInt的对齐要求)std::cout << alignof(alignedCharArray) << std::endl;   // 输出：8 (alignedCharArray的对齐要求)AlignedStruct obj;std::cout << alignof(obj) << std::endl;   // 输出：16 (结构体AlignedStruct的对齐要求)return 0;
}