内存字节对齐和 cpu 是什么关系？

Question

比如有一个内存条，总容量为： 64 Bit
有一个 16 bit 的 CPU

这个时候，cpu 读取内存只能是 [0,16)、[16,32)、[32,48) 这样吗？

不能是 [3,19) 、[6,22) 这样吗？

[0,16) 表示读取内存条第 0 个 bit（包含）到第 16 个 bit（不包含）
[3,19) 表示读取内存条第 3 个 bit（包含）到第 19 个 bit（不包含）

如果要读取 [3,19) 这样的地址范围的话，是不是要分成 [0,16)、[16,32) 分成两次读取，是这样吗？

假设这个问题讨论的是现代 CPU，比如 intel 的 i9-12900k, AMD 的 5990x, Apple 的 m1 max，高通的 8 gen1
这些现代化的 64 bit 的 cpu，是不是必须是 [0,64)、[64,128)、[128,192) 按照 64 的倍数来读取内存？还是说他们是支持非整数倍操作内存的？（包括读和写）

Answer 1

理论上可以这么读，但不经济，原因在于CPU并不直接和内存打交道，因为内存实在太慢...了。
CPU 通常是和1级2级3级缓存打交道，不得已才读写内存。读写内存通常是一整块一整块的读，这样效率高。这就像汽车的油箱和加油站的关系，加油费时间，但一次加一箱和加一升的时间差别不太大。发动机会首先从油箱里取，没有了才会去加油站，没人一次加一升。

那为什么一定要内存对齐呢？

简单地说，还是因为这么做效率高。磁盘存储是分块的，内存也是按页管理，CPU 也是按32/64/128位来寻址和处理数据。如果可以任意偏移读写，会有的大量的计算都要浪费在偏移处理上，硬件设计上也不容易。所以没人这么做。

这就好比做工业化的鸡蛋篓，一篓装32个，可以设计好机器可以很愉快地自动装载，但你这一篓非要装31个，为实现单拿出一个的需求，需要设计复杂得多的机器/算法/操作才能实现。提这样需求的人会被打的，所以没有人这么干。

Answer 2

没有特意地学习过操作系统，简单说下我的理解，

你当前的问题其实和内存的字节对齐没有什么直接的关系。

cpu只所以一段段的读取，这是由数据总线宽度决定的。比如数据总线的宽度是16位，则CPU一次只能而且也必须读取16位（读取完用不用是CPU的是，但读取的数据必然是16位）。
至于为什么是：0， 16， 32. 而不是：3, 5, 7, 9，我想有两方面决定。

1. 由于计算机一次只能读取16位，而要保障0号可读，所以必须从0开始读。
2. 计算机有着超强的2进制计算能力（加法运算器、移位运算），所以它获取 0，16，32，比获取3, 5, 7, 9要简单的多。

最后再说下块对齐：
还是以16位的数据总线为例，由于CPU一次能读取16位的数据过来，所以当一个数据的长度小于16位时，我们要保障CPU只与内存交互一次便可以获取到全部想的数据。这话听起来没毛病：比如生活中你一次能携带10KG的东西，此时有个任务是让你携带5KG过来，那么原则上你只需要跑一次。

我们假设当前CPU想要一个小于16位的数据（101），如果这么存：

0 1 2 3 4 5 6 x x 15 16 17 18
x x x x x x x x x  1  0  1  .

那么CPU就需要与内存交互两次数据，分别获取 0 - 15 以及 16 -31.

我想以上就是需要对齐的原因。

因为经过对齐以后，内存就会这么存这个数：

0 1 2 3 4 5 6 x x 15 16 17 18 19
x x x x x x x x x  . 1  0  1  .

此时，虽然第15位浪费了1个bit的空间利用，但可以保障CPU与内存交互一次（16 -31)可以获取到这个比16bit小的101数据。

Answer 3

内存对齐只是处理中提高速度的一般措施，而不是必须措施，数据的存储与使用要根据数据特性来，而不是根据CPU特性来。

不过现代很多处理中，会自动优化实现内存对齐，这主要是为了提高速度，而没有特别的意义，如果你的数据结构确实需要非对齐的处理，CPU肯定也是能处理的，不过运行速度肯定要下降很多。

你如果了解C的结构体、共用体，就可以知道数据在内存中的组织可以有很多方式，但有些方式速度方面的效率高，有些方式空间上的效率高，当前空间已经不在那么紧张情况下，优化方向多是速度优化，这时对齐来提高速度就是常见可选策略啦。

对于

假设这个问题讨论的是现代 CPU，比如 intel 的 i9-12900k, AMD 的 5990x, Apple 的 m1 max，高通的 8 gen1
这些现代化的 64 bit 的 cpu，是不是必须是 [0,64)、[64,128)、[128,192) 按照 64 的倍数来读取内存？还是说他们是支持非整数倍操作内存的？（包括读和写）

cpu 都是支持按位读写内存的，只是效率比整体的读写要低。

你看到很多语言有位操作指令，就是来干这些事情的。