内存对齐
一、内存对齐
1.字长
计算机字长指的是CPU一次(一个时钟周期)能处理的最大长度,一般来说有如下属性
计算机字长 = 寄存器大小 = 数据总线宽度 = 地址长度 = 机器位数
计算机按次从内存读出数据，字长就是计算机每次从内存读出的数据长度，以字节为单位。
2.内存对齐的好处
-
假设字长为4B，如果数据对齐，那么在内存中的状态就是
CPU一次就能将所有数据读出,而如果没有进行字节对齐,计算机需要两个时钟周期才能读出所有数据
-
如果未对齐，取数据时需要多次访存，假设某些情况下，可能需要多次访存，比如64位CPU，每次最多可获取8B，现在有一个8B长的变量，如果没有对齐，可能前6B存在前一个地址，后2B存在另一个地址，两次才能取出，如果对齐，那就只需要访存一次。
-
可能会破坏访存的原子性，常见的就是
long long并发时的错误
-
某些ARM CPU不支持未对齐的内存访问（我没碰到过）
-
可能会造成性能问题
- 在 ARM v6/7 上未对齐的访问通常需要许多额外的周期才能完成
- 在现代的 x86 处理器上，未对其的内存访问没有明显的性能损失。在这篇对 Intel SandyBridge 架构（酷睿 2xxx 系列，奔腾 G6xx 系列）的测试文章里提到
there is noperformance penalty for reading or writing misaligned memory operands - 不仅如此，在这篇文章的测试中，在一些 workload 下，未对齐的内存访问甚至比对齐的访问更快！
二、结构体对齐
1.对齐规则
- 数据类型的对齐：结构体中的成员变量按照自身的大小进行对齐。例如，
int按照 4 字节对齐，double按照 8 字节对齐，char按照 1 字节对齐。 - 对齐边界：结构体的起始地址必须是其最大成员的对齐边界的倍数。换句话说，
结构体的大小必须是最大成员大小的整数倍。 - 填充字节：为了满足对齐要求，编译器可能会插入填充字节，使得成员变量正确对齐。
以下面几个结构体为例
案例1
struct test{
char a;
int b;
short c;
}test1;
这个结构体中，最长的变量长度为4B
案例2
struct test{
char A;
short C;
int B;
}test2;
为什么需要填充？
填充才能保证内存对齐
为什么结构体的大小必须是最大成员大小的整数倍？
在这篇回答中，找到了一个可能的原因，以这个结构体为例
struct st{
int32_t a;
int8_t b;
};
struct st arr[N];
如果不对齐为整数倍，那么占用5B，如果对齐，那就是8B，但是如果不填充，当对数组访问时，arr[1].a就会有4B放在arr[0].b中，导致cross line，从而对齐失败，
所以第二条实际上还是为了内存对齐，如果没有第二条，还是存在未对齐的隐患。
四.保证内存对齐的简单算法
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size) {
if (alignment % sizeof(void*) != 0 || (alignment & (alignment - 1)) != 0) {
// 对齐要求必须是void*大小的倍数，并且是2的幂次
return EINVAL; // 参数错误
}
void* ptr = malloc(size + alignment - 1);
if (ptr == NULL) {
return ENOMEM; // 内存分配失败
}
uintptr_t addr = (uintptr_t)ptr;
uintptr_t aligned_addr = (addr + alignment - 1) & ~(alignment - 1);
// 为了保存原始指针地址，需要将指针地址存储在指针指针（memptr）指向的位置
*(void**)memptr = (void*)aligned_addr;
return 0; // 成功
}
-
为什么是void*的倍数
void*的大小一般是机器字长，所以含义就是首先必须和机器字长对齐 -
如何检测出是2的幂次
2的幂次数有个特性，那就是只有最高位是1，剩下的都是0，比如8，
而减去1后，又变成最高位是0，剩下都是1
8: 1000 8-1: 0111此时求与，如果结果是0，那就是有2的幂次，否则就不是，
这是只有2的幂次具有的性质
-
如何保证对齐到
alignment(addr + alignment - 1) & ~(alignment - 1);
三、附录
3.1 Golang中的内存对齐
make创建的Slice是会自动内存对齐的，比如int32会4B对齐，int64会8B对齐，简单写一个程序验证
func TestMakeAlignment(t *testing.T) {
for sz := 1; sz < 10000; sz++ {
buf32 := make([]int32, sz)
address := uint64(uintptr(unsafe.Pointer(&buf32[0])))
if address%(uint64(4)) != 0 {
t.Fatalf("0x%x--%v is not aligned\n", address, 4)
}
buf64 := make([]int64, sz)
address = uint64(uintptr(unsafe.Pointer(&buf64[0])))
if address%(uint64(8)) != 0 {
t.Fatalf("0x%x--%v is not aligned\n", address, 8)
}
}
}
3.2 C语言查看计算机位数
printf("%d", sizeof(size_t));
printf("%d", sizeof(void *));
3.3 C语言结构体内存对齐
// 默认字节对齐
// 当使用 __attribute__ ((__packed__)) 定义时，不进行对齐
struct
// struct __attribute__ ((__packed__))
test {
uint8_t a;
uint64_t b;
uint16_t c;
};
void checkIfAligned(void *addr){
int addrNumber = (int)(addr);
printf("Address: 0x%x\n", addr);
if(addrNumber % sizeof(void*) == 0){
printf("true\n");
} else {
printf("false\n");
}
}
int main() {
struct test t;
printf("Alignment: %lu\n", sizeof(void *));
checkIfAligned(&t.a);
checkIfAligned(&t.b);
checkIfAligned(&t.c);
}
结果
// 对齐
Alignment: 8
Address: 0x6af8f118
true
Address: 0x6af8f120
true
Address: 0x6af8f128
true
// 不对齐
Alignment: 8
Address: 0x6d787125
false
Address: 0x6d787126
false
Address: 0x6d78712e
false
