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：

1. 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。
2. std::ptrdiff_t：带符号整数类型，用于表示指针之间的差值。
3. 空指针常量（nullptr）：用于表示空指针。
4. 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;
}

总结：alignas为设置对齐字节长度  alignof为获取字节对齐长度 使用这两个函数 可以人为设置字符对齐字节长度 对CPU的优化达到最大 也可以进行跨平台操作 这在嵌入式linux的应用中显得尤为重要

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