什么是数据对齐？在C中键入指针时，为什么以及何时应该担心？[副本]

Question

我找不到一个像样的文档来解释对齐系统是如何工作的，以及为什么某些类型比其他类型更严格地对齐。

Answer 1

一些系统可以访问部分内存，例如32位字（4字节）。这是一个硬件限制。这意味着进入内存控制器的实际地址应该可以被四整除（因为它仍然在寻址字节）。所以，一旦你试图让一个单词位于不能被四整除的地址，就有两个选择——要么编译器会尝试生成一些奇特的代码，用两次内存访问来组成这个单词，但情况并非总是这样。有时它只会生成一个代码来访问给定地址中的4个字节。然后处理器将因数据对齐错误而失败。

这导致了语言的局限性。

考虑代码（坏代码）：

uint8_t a[] = {1,2,3,4,5,6};
uint32_t b = *(uint32_t*)&a[1];

并假设a与可被四个边界整除的边界对齐。然后第二行尝试从第二个元素的地址中读取一个单词，即不能被四整除的地址。这将导致对齐错误。但在C中，严格的别名规则只是禁止使用它。

Answer 2

这是“实现定义”，即对齐要求不是语言规范的一部分。

不同的CPU对对齐有不同的要求。有些不能在不均匀的地址上寻址16位值，有些可以。有些不能寻址浮点值，除非与可由其大小整除的地址对齐，有些可以。依此类推。有些人访问未对齐的数据对象的速度会比正确对齐的数据对象慢，有些人会被未对齐的访问绊倒。

这就是为什么语言标准没有详细说明哪种类型需要以哪种方式对齐（因为它不能），而是将其留给“实现”——在本例中是编译器后端。

如果键入指针，则可能会强制代码在无法寻址的地址寻址给定对象。您需要确保“旧”类型的对齐要求至少与“新”类型的对齐要求一样严格。

在C（C 11以上）中，让alignof操作符告诉您给定类型的对齐要求。您还可以使用alignas操作符在给定类型或对象上强制执行更严格的对齐。

在C（C11以上）中，您可以得到\u Alignof和\u Alignas操作符，这

Answer 3

我会试着简短地解释。

计算机的体系结构由处理器和内存组成。内存按单元格组织，因此：

 0x00 |   data  |  
 0x01 |   ...   |
 0x02 |   ...   |

每个存储单元都有指定的大小和可以存储的位数。这取决于架构。

当您在C/C程序中定义变量时，您的程序会占用一个或多个不同的单元格。

例如

int variable = 12;

假设每个单元格包含32位，并且int类型大小为32位，那么在内存中的某个位置：

variable: | 0 0 0 c |  // c is hexadecimal of 12.

当您的CPU必须对该变量进行操作时，它需要将其放入寄存器中。CPU可以从内存中接收“1时钟”的少量位，这种大小通常称为WORD。这个维度也取决于架构。

现在假设您有一个变量，由于某些偏移量，它存储在两个单元格中。

例如，我有两个不同的数据块要存储（我将使用“字符串表示法来更加清楚”）：

data1: "ab"
data2: "cdef"

因此，内存将以这种方式组成（2个不同的单元）：

|a b c d|     |e f 0 0|

也就是说，data1只占用单元格的一半，因此data2占用剩余部分和第二个单元格的一部分。

现在假设您的CPU想要读取data2。CPU需要2个时钟来访问数据，因为在一个时钟内它读取第一个单元格，在另一个时钟内它读取第二个单元格中的剩余部分。

如果我们根据这个内存示例对齐data2，我们可以在第二个单元格中引入一种填充和移位data2。

|a b 0 0|     |c d e f|
     ---
   padding

这样，CPU将只丢失“1个时钟”才能访问data2。

align系统只是引入了填充，以便根据体系结构将数据与系统内存对齐。

我不会深入回答这个问题。然而，从广义上讲，记忆对齐来自上下文的要求。

在上面的示例中，使用填充（因此数据与内存对齐）可以节省CPU周期以检索数据。由于内存访问次数较少，这可能会对程序的执行性能产生影响。

然而，除了上面的示例（仅为说明而做）之外，还有许多其他情况下内存对齐是有用的，甚至是需要的。

例如，一些体系结构可能对如何访问内存有严格的要求。在这种情况下，填充有助于分配满足平台约束的内存。