内存对齐相关问题的简要总结

2018-08-23 本文已影响6人丹丘生___

查询内网中关于内存对齐的资料发现，它们往往只谈论一个层面的问题，而不涉及或稍微涉及更高或更低层面的问题；而这对于喜欢抠根问底的同学来说，是比较难受的。这里对内存对齐相关的问题和答案做一个简要总结，较为复杂的解释这里不涉及，但我会给出相关文章链接。

一、问题简述

内存对齐问题总的来说，分为How 、Who和 Why，至于What这里不再赘述：

Who：谁让数据在内存中对齐存放的？
How：内存是如何对齐的，即内存对齐的表现形式？
Why：为什么要内存对齐？该问题又可分成两个层面的问题：
- 为什么内存中的数据要以内存对齐的方式排布？
- 为什么处理器要以内存对齐的方式读取内存？

二、问题详述

1、谁让数据在内存中对齐存放的？

答案是：编译器或某类支持该操作的语言的程序员。在C/C++中，是可以精确控制数据在内存中的分布的，目的是使CPU能够更加高效的从内存中存取数据，但其实这往往不需要开发者自己来完成，因为默认的分布已经是被编译器优化过的，实际上执行了一个填充操作，具体解释见如下链接或者后文。
VS编译器举例：Alignment

2、内存如何对齐？

内存中存储的无非是指令和数据，那么，分析数据结构如何使用内存，可以有效帮助我们认识内存对齐的具体表现形式。网上有一大堆分析C/C++ struct存储结构的文章，主要涉及了这四个关键概念和一个隐含操作：

alignment :

A memory address a, is said to be n-byte aligned when a is a multiple of n bytes (where n is a power of 2). ——Data structure alignment

即一个地址是n字节的倍数，可称为n-字节对齐，而n = 2^k(k=0,1....m).
所以一个地址a，如果a%(2^k)=0,那么a就是(2^k)-字节对齐。

natural alignment :可翻译为自然对齐。如果数据的地址与其大小对齐，则称为自然对齐，否则称为未对齐。根据上文“对齐”的概念，对某变量value，如value.addr % value.size = 0，那么就可以说该变量自然对齐。
- 基本数据类型，自然对齐值为该类型的size，如char的自然对齐值为1，int自然对齐值为4......不难理解的是，将这些变量起始位置放置于对齐边界上后（即value.addr % value.size=0处），编译器不用再对它进行任何额外的优化，猜测这应该是“自然对齐”名称的来源。
- 对于结构体，取值为结构体内成员的natural alignment，如果结构体里不断嵌套包含结构体，那么递归的计算natural alignment，直到递归到基本数据类型，在反过来得到最外层结构体的自然对齐值。
specified alignment :由编译器或用户指定的对齐值(如 #progma pack (x)）,只对结构体有作用。
effective alignment :取natural alignment与specified alignment 两者中的最小值。
隐含操作：具体来说，就要执行padding(填充)操作，所谓填充，就是在结构体成员中间或最后一个成员之后填充数据占位，填充的是什么可忽略。其目的是为了满足自然对齐的要求——不仅要满足结构体成员的自然对齐要求(中间填充），还要满足结构体本身自然对齐的要求（尾部填充）。

举例：

#pragma pack (8)

struct S1{
    char a;
    int b;
};

struct S2{
    char c;
    struct S1 d;
    long long e;
    char f;
};

int main()
{
    struct S1 a;
    struct S2 b;

    printf("size of int, long long: %lu, %lu\n", sizeof(long),sizeof(long long));

    printf("size of S1: %lu\n", sizeof(a));
    printf("size of S2: %lu\n", sizeof(b));

    return 0;
}

输出:
size of int, long long: 4, 8
size of S1: 8
size of S2: 32

分析：

**首先分析struct S1**:
自然对齐值为4，指定对齐值为8，得到结构体有效对齐值也为4.
char a——> 0x0000 % 1 = 0,自然对齐，占一个字节
int b——> 如取值0x0001,0x0002...有0x0001 % 4 != 0，0x0002 % 4 != 0......
直至取址0x0004。
因此0x0001~0x0003将被填充（这是中间填充）。
int b 占4个字节，因此最后一个字节地址为0x0007.
结构体成员存储完毕，但我们要保证整个结构体存储完毕后，
其下一个字节地址对于该结构体是按照有效对齐值对齐的，
因为内存中有可能是连续存储着一个结构体数组。
而它的下一个字节地址为0x0008,结构体有效对齐值为4，有0x0008 % 4 = 0，
满足对齐要求，因此不必进行尾部填充。结构体大小为8字节

adr offset   element  
------   -------  
0x0000   char a;         
0x0001   char pad0[3];  //填充3字节数据
0x0004   int b;  //int b(0x0004-0x0007)
...
0x0007   int b;
------------------------------分割线-----------------------------------------------
**分析struct S2**
自然对齐值为8，指定对齐值为8，得有效对齐值为8

0x0000   char c; //1字节         
0x0001   char _pad0[7];  填充7字节数据(中间填充)；
0x008     S1 d;  //占8字节 
0x0010   long long e;  //占8字节
0x0018   char f;//1字节
0x0019   char _pad[7] //尾部填充7个字节

最后一个成员char f 的地址为0x0018,下一个地址为0x0019,
0x0019 % 8 != 0,因此需要尾部填充，填充7个字节，
因此该结构体在内存中最后的位置为0x001F，因此该结构体大小为 1+7(填充)+8+8+1+7(填充)=32字节。

3、为什么要内存对齐？

前文中讲过，Why的问题要分两个层面来问，首先是为什么编译器按照内存对齐的方式存储数据？其次是，处理器为什么按照内存对齐的方式读写内存中的数据？
实际上，之所以有第一个问题，是因为第二个问题的存在，也就是说，之所以按照内存对齐方式存储数据，是因为处理器是这么做的，而且只有这么做效率才会高。

数据的内存对齐存储

对于用内存对齐的方式存储数据，其详细解释见：
Data alignment: Straighten up and fly right
翻译后的版本：link

这篇文章总结的很好，不再多复述。只分析总结其中讲述的一个细节：

Double-byte memory access granularity

Quad-byte memory access granularity

上图中，分别是双字节存取粒度和四字节存取粒度的处理器。而假设数据是非内存对齐方式存储的，位于[1,2,3,4]字节处。

双字节存取粒度：
当从内存中一次读取4个字节时，如果是从地址0处开始读，总共需要读2次，即第一次读[0,1]，第二次读[2,3]。如果从地址1处开始读，则需要读3次，依次是[0,1],[2,3],[4,5],也就是说处理器一定是按照内存对齐的方式读取内存的，哪怕是想从地址1处开始取数据。

四字节存取粒度：
从地址0开始读，只需读一次[0,1,2,3]；从地址1开始读，需要读两次[0,1,2,3] 和 [4,5,6,7]。

那么，是怎么取得最终的数据的呢？

How processors handle unaligned memory access

上图很形象的描述了是如何取得最终的数据的。这里假设是MSB(大端字节序）。因为数据被存储在单元[1,2,3,4]，因此按照上文所述，四字节处理器分别读取了[0,1,2,3]和[4,5,6,7]，当就是把第一个值[0,1,2,3]读入到结果寄存器后，向左移动一个字节(去掉了0字节处对应的二进制数据），然后把第二个值[4,5,6,7]读入到临时寄存器，向右移动3个字节（去掉了5,6,7字节处对应的二进制数据)，最后两者OR，最终结果存储于结果寄存器。

内存存取粒度：因为每次内存存取都会产生一个固定的开销,最小化内存存取次数将提升程序的性能。所以往往不是初学者认为的单字节，跟具体处理器有关，但不会出现3字节、5字节等奇数存取粒度的出现。

总的来说，内存对齐方式存储数据的目的有两点：

提高存取效率
因为有的处理器不支持非内存对齐方式存取，将影响可移植性。

处理器的内存对齐存取

该问题涉及处理器的架构设计、缓存的利用等知识，具体内容待之后添加。