内存对齐优化不仅是性能优化，也是内存大小优化

Question

我们知道，当您这样定义A时，A的大小会有所不同：

class A 
{
  short a;
  double b;
  short c;
};

或者像这样

class A 
{
  short a;
  short c;
  double b;
};

我假设我们正在编译32位操作系统，并且我们已经告诉编译器对齐到32位。

编译器真的很难通过重新排序定义来获得最小的大小，同时实现相同的性能吗？

Answer 1

这是非常困难的。结构特别需要以与结构定义完全相同的顺序对字段进行排序。

这一要求可能是对Pascal没有这样的要求并造成令人惊讶的结果的反应。

无论如何，并不是所有的CPU架构都需要对齐或填充。在大多数情况下，它会导致轻微的性能损失。在现代处理器时代，由于CPU流水线的其他方面，内存获取中额外的一到两个周期很可能会消失。

Answer 2

这对编译器来说并不难，这是标准所禁止的(只有一个例外)：第9.2.12节：

分配未使用中间访问说明符声明的(非联合)类的

非静态数据成员，以便后面的成员在类对象中具有更高的地址。未指定由访问说明符分隔的非静态数据成员的分配顺序

例外情况是，具有不同访问修饰符的成员可以被重新排序，因此：

class A
{
public:
  int a;
  int b;
private:
  int c;
 int d;
{'\;

A和b，不能重新排序。C和d，不能重新排序，但(a和b)可以与wit (c和d)一起重新排序

Answer 3

由于标准的要求，编译器无法重新排序(粗略地说:唯一的、递增的地址，以及按访问修饰符分组的C++类)。

这就是为什么重新排序需要手工完成的原因。一般来说，你在这里是幸运的:现有数据类型的更好对齐意味着更小的大小和更好的性能，这里没有冲突。

然而，有时较大的数据(元素)大小意味着更简单的指令。例如，使用位字段来削减几个字节意味着更复杂的代码，代码大小和数据大小之间存在权衡；将内部循环增加500个字节来削减2k数据可能会对代码的优化和内存局部性造成灾难性影响。

编辑工具(如PVS Studio )可以在结构元素顺序不理想且可以改进时发出警告。

edit2对于“为什么这些规则存在”

tl;dr:这很有趣，但并不重要，只是出于好奇心。

首先(毫不留情地复制另一个SO答案)标准的相关部分：

在结构对象中，非位字段成员和位字段所在的单元具有按声明顺序递增的地址。指向经过适当转换的结构对象的指针指向其初始成员(或者，如果该成员是位字段，则指向其所在的单元)，反之亦然。在structure对象中可能存在未命名的填充，但在其开始处不存在。

指向标准布局结构对象的指针(使用reinterpret_cast进行适当转换)指向其初始成员(或者，如果该成员是位字段，则指向它所在的单元)，反之亦然。注意:因此，在标准布局结构对象中可能有未命名的填充，但不是在其开头，这是实现适当对齐所必需的。-end笔记

(请注意，这与C有关，C++稍微复杂一些。)

该标准很少说明原因，这里的大多数都是“有根据的猜测”：

Distinct adresses是由于标准的其他考虑而产生的要求。

根据现有的编程实践，创建一个指向结构类型转换的指针--相当于指向第一个成员的指针。(通过将“基本结构”嵌套为“派生结构”的第一个成员，它允许在C中实现“数据多态”)

保持程序员指定的顺序的：

“香草猜测”不会破坏手工优化的数据局部性。将最常访问的成员放在顶部可以改善结构中的局部性(允许更好的缓存或更短的寻址指令)。如果编译器重新排序，这些优化可能会丢失，因为总结构大小的增益相对较小。

需要按访问说明符分组的C++：(即“所有公共变量一起，所有受保护变量一起，所有私有变量一起)：我从来没有找到这样做的原因(我必须说，这有点令人惊讶)。我可以想象(可能)的目的是允许编译器实现利用硬件访问控制(”这段代码可能不能访问那块内存“)。