Wpf / Win32 / C++ 场景下的内存对齐（Memory Alignment）

目标读者：

• 使用 C# / WPF 的 Windows 桌面工程师
• 需要调用 Win32 API / C / C++ DLL
• 会接触非托管内存、P/Invoke、共享内存、IPC

目标：
把「内存对齐」这个长期被模糊、被回避、被一句话带过的问题，
拆解到每一个字节、每一次 CPU 访问、每一次工程决策。

第一章：从“一个最小问题”开始

问题 1：内存到底是什么？

在程序世界里，内存不是变量，不是对象，不是字段。

内存只有三样东西：
1️⃣ 连续的地址
2️⃣ 每个地址 1 个字节
3️⃣ CPU 通过地址访问数据

地址: 0x1000 0x1001 0x1002 0x1003 ...
数据:  0x??   0x??   0x??   0x??

所有高级语言结构，最终都会被压平成字节序列。

问题 2：CPU 是怎么“读”内存的？

CPU 从来不是：

“我要 int，就读 4 个字节”

而是：

“我要 对齐地址上的一整块数据”

CPU 的访问单位包括：

• 总线宽度
• 寄存器宽度
• Cache Line

👉 这就是“对齐”存在的物理原因。

第二章：什么是内存对齐

2.1 对齐的严格定义

一个数据的起始地址，必须是其 对齐粒度（Alignment） 的整数倍。

2.2 不对齐会发生什么（不是“慢一点”）

情况一：老 CPU

• 直接抛异常（Bus Error）

情况二：现代 CPU

• 拆成多次 load
• 合并数据
• 性能急剧下降

情况三：原子操作

• 未对齐 = 原子性破坏

👉 不对齐 = 潜在 Bug，不只是性能问题。

第三章：结构体内存布局的“铁三角规则”

规则 1：字段必须按自身对齐

struct A {
    char c;   // 1
    int  i;   // 4
};

内存布局：

[c][pad][pad][pad][i][i][i][i]

sizeof(A) = 8

规则 2：结构体总大小必须是“最大对齐”的倍数

struct B {
    int   a; // 4
    short b; // 2
};

[a][a][a][a][b][b][pad][pad]

规则 3：字段顺序决定 padding 数量

编译器不会帮你重排字段。

// 推荐
int a;
short b;
char c;

// 高风险
char c;
short b;
int a;

第四章：为什么“要大 → 小”？（不是约定，是生存）

4.1 逐字段分析

char c;   // 1
int  i;   // 4

如果先放 char：

• int 必须跳到下一个 4 字节边界
• 产生 3 字节 padding

如果先放 int：

• char 紧跟即可

👉 不是美观，是避免跨界访问。

第五章：ABI —— 真正的“最终裁决者”

5.1 什么是 ABI

ABI（Application Binary Interface，应用程序二进制接口）规定：

• 数据布局
• 参数传递
• 返回值方式
• 对齐策略

👉 语言必须服从 ABI。

5.2 常见 ABI

• Win32 / Win64 ABI
• MSVC ABI
• System V ABI

不同 ABI：

• 对齐策略不同
• padding 不同

第六章：x86 vs x64 的隐藏杀伤力

👉 x64 是“放大镜”。

第七章：C# 结构体的真实行为

7.1 StructLayout

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
struct S {}

• Sequential：顺序
• Explicit：你自己负责

7.2 Pack 的真实含义

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]

Pack = 最大允许对齐粒度

❌ 不是“关闭对齐”

⚠️ Pack=1 = 高风险操作

第八章：Blittable 与跨语言生死线

8.1 什么是 Blittable

托管 / 非托管内存布局完全一致

8.2 安全类型

• int / float / double
• IntPtr
• fixed 数组

8.3 禁止类型

• string
• object
• class
• bool（极易炸）

第九章：结构体中“对象”的彻底解析

9.1 C# struct + class

struct S {
    int A;
    MyClass Obj;
}

内存：

[A][Obj 的引用地址]

👉 对齐的是指针，不是对象

9.2 C++ struct + 对象

struct S {
    int A;
    std::string Str;
};

• 内部指针
• 构造 / 析构
• ABI 不稳定

❌ 禁止跨语言

第十章：bool / enum —— 对齐事故制造机

bool

👉 永远不要假设 bool 对齐一致

enum

enum A : byte {}
enum B : int {}

👉 enum = underlying type

第十一章：Cache Line 与 False Sharing

11.1 Cache Line

• 常见 64 bytes
• 一次读整行

11.2 False Sharing

• 不同字段
• 同一 cache line
• 多线程写

👉 性能雪崩

第十二章：共享内存 / IPC 的终极考验

12.1 共享内存的现实

• 没 GC
• 没 CLR
• 没语言

只有：

字节协议

12.2 工程级结构体模板

struct Header {
    uint32_t Magic;
    uint16_t Version;
    uint16_t Size;
};

• 固定头
• 明确版本
• 向后兼容

第十三章：开发过程中最常见的问题

• P/Invoke 参数错位
• x86 正常，x64 崩溃
• Marshal.SizeOf 不等于 sizeof
• 客户机器偶现 Bug

👉 90% 源于对齐错误

第十四章：检查清单

• 是否画过内存布局图？
• 是否明确 ABI？
• 是否避免 bool / string？
• 是否测试 x86 / x64？

第十五章：最终总结

内存对齐不是语言知识，而是系统工程能力。

当你能“看到”字节布局时，
你就已经拥有了对系统的控制权。