为什么要做字节对齐 alignment？

下面这段 C++ 代码的输出是什么？定义的 Type 占用的字节数（下面简称为字节数）是多少呢？

#include <iostream>struct Type {char a;int b;
};int main(void) {std::cout << sizeof(Type) << '\n';
}

经过编译运行，在 x86-64 Linux 机器上输出的结果是 8。如果将成员变量的字节数相加求和，等于 1 + 4 = 5 字节。那多出来的 3 字节做什么了？

一般，我们会把多出的 3 字节用来做字节对齐。也就引出了文章标题提出的问题：为什么要做字节对齐呢？多占用的字节有什么用处？

首先，程序加载进内存后，需要将指令、数据读取到 CPU 中；CPU 读取数据的速度要远远超过内存的。为了缓解速度差异，引入了 Cache 机制。

而在读写 Cache 中的数据时，一般都是按照一定大小来操作的，这个概念被称为 “Cache line”。在因特尔芯片中，一次操作的大小是 64 个字节。假如现在类型 Type 的对象存储在 Cache 的地址分别为 [60, 61, 62, 63, 64]。如果现在 CPU 去读这个对象，你会发现，它正好分布在两个 Cache line 中（分别是 [0,63] 和 [64, 127]），因此要读两次。

为了尽可能让每次操作都能够访问到完成的数据，而不是分两次进行。编程语言都会引入字节对齐 Alignment 机制（也与 C++ 的处理机制差不多）：

首先，设定每一个基础类型的 alignment 大小，都是 2 的幂。C++ 在 x86-64 Linux 机器上的 alignment 情况如下表（可以通过 alignof(Type) 函数查看）：

类型 sizeof(Type) alignof(Type)
char (unsigned char) 1 1
short (unsigned short) 2 2
int (unsigned int) 4 4
long (unsigned long) 8 8
float 4 4
double 8 8
long double 16 16
T* 8 8
要求某一类型的第一个字节的地址能被 alignment 整除。也就是说，存放 int 值的地址必须是 4 的倍数。
如果是用户自定义类型，比如文章开头的 struct，它的 alignment 等于 max(所有成员变量的 alignment），也就是 int 类型的 4。
并且要求 sizeof(Type) 必须是 alignof(Type) 的倍数。