为什么访问非自然对齐内存的执行效率更低？

假设我们使用的是每次固定读取8字节内存的64bit CPU，当前需要存储一个4 bytes的int变量。根据自然对齐的定义，4字节对象需要对齐到4的倍数地址（例如0x0000、0x0004）。那为什么不能将该int存储在0x0001这类地址呢？按照我的理解，CPU一次读取8字节的情况下，从0x0000地址读取一次就能拿到存储在0x0001的int，这种场景下为什么还需要遵循自然对齐规则？

你提到的单一场景确实存在：存在0x0001地址的4字节int刚好完全落在0x0000~0x0007这8字节的单次读取块中，仅需一次读操作就能拿到全部数据。但对齐规则的必要性远不止单次读取次数这一点，核心原因包括以下几点：

• 数据提取的额外开销：即便一次读入了完整的8字节，不对齐存储的int也不会刚好落在CPU可直接使用的低4位或高4位区间，需要额外做移位、掩码操作才能把分散的4个字节拼接成合法的int值，这部分操作会额外消耗时钟周期。对齐存储的int无需额外处理，读取后可直接使用，效率更高。
• 避免跨访问块的二次读取：你举的例子属于幸运场景，如果4字节int存储在0x0006这类地址，2个字节落在0x0000~0x0007块，剩下2个字节落在0x0008~0x000F块，CPU必须执行两次8字节读取才能拿到完整的int。要是这两个块刚好属于不同的缓存行甚至不同内存页，开销会被进一步放大，极端情况还可能触发缺页异常。自然对齐可以保证所有4字节int永远不会跨两个8字节访问块，从根源上杜绝了这类问题。
• 原子性保证与架构兼容性：绝大多数CPU架构默认只对对齐的内存访问提供原子性保障，比如要原子修改这个4字节int，对齐场景下一次写操作就能完成且不会被打断。不对齐的访问哪怕数据落在同一个8字节块中，很多架构也不保证原子性，多线程场景下容易出现数据竞争问题。另外部分RISC架构直接不支持不对齐的内存访问，碰到这类地址直接抛出异常终止程序，遵循对齐规则能保证代码的跨架构兼容性。
• 复合类型布局一致性：对于数组、结构体这类包含多个元素的复合类型，遵循对齐规则可以保证每个元素都默认落在合法的对齐地址上，编译器不需要动态计算偏移，既方便编译优化，也能避免手动操作内存时出现偏移计算错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user12599964