为什么编译器在 N 字节边界上对齐 N 字节数据类型？

Question

我不明白为什么编译器在 4 字节边界上对齐 int，在 2 字节边界上对齐 short，在 1 字节边界上对齐 char。 我知道，如果处理器的数据总线宽度为 4 个字节，则需要 2 个内存读取周期才能从地址不是 4 的倍数读取 int。
那么，为什么编译器不在 4 字节边界上对齐所有数据呢？ 例如：

struct s {
 char c;
 short s;
};

这里， 1）为什么编译器在 2 字节边界上对齐短？假设处理器可以在单个内存读取周期中获取 4 个字节，那么即使 char 和 short 之间没有填充，在上述情况下读取 short 也只需要 1 个内存读取周期吗？

2) 为什么编译器不在 4 字节边界上对齐 short？

Answer 1

这些对象必须适合数组。数组是连续的。因此，如果第一个元素是 N 字节对齐的，并且所有对象都是 N 字节大，那么数组中的所有对象也必然是 N 字节对齐的。

因此，如果short 的大小为 2 个字节，但 4 个字节对齐，则数组中的所有短裤之间将有 2 个字节的空洞，这是被禁止的。

您确实看到您的假设存在轻微缺陷。我可以用 26 个字符制作一个 struct，它不会是 26 字节对齐的。它可以从任何地方开始。一个 N 字节类型，其对齐等于 N 或除以 N。

Answer 2

首先，你的前提是错误的。每个对象都以某种基本对齐方式对齐。对于某些标量对象，对齐方式可能与对象的数据大小相同，但也可能更小或更大。例如，一个经典的 32 位体系结构（我在这里考虑 i386）可能包括 8 字节双精度和 10 字节长双精度，两者都具有 4 字节对齐。注意我上面说的是数据大小；不要将此与sizeof 混淆。

对象的实际大小可能大于数据大小，因为对象的大小必须是对象对齐的倍数。原因是无论上下文如何，对象的对齐方式始终相同。换句话说，对象的对齐方式只取决于对象的类型。

因此，在结构中：

struct example1 {
  type1 a;
  type2 b;
};

struct example2 {
  type2 b;
  type1 a;
};

两个 b 的对齐方式相同。为了能够保证这种对齐，复合类型的对齐必须是成员类型的最大对齐。这意味着上面的struct example1 和struct example2 具有相同的对齐方式。

对象的对齐方式仅取决于其类型的要求意味着类型的大小必须是其对齐方式的倍数。 （任何类型都可以是数组的元素类型，包括只有一个元素的数组。数组的大小是元素大小和元素个数的乘积。所以任何必要的填充必须是大小的一部分元素。）

一般来说，在复合类型中重新排列成员可能会改变复合类型的大小，但不能改变复合类型的对齐方式。例如，以下两个结构具有相同的对齐方式——即double 的对齐方式——但第一个几乎肯定更小：

struct compact {
  double d;   // Must be at offset 0
  char   c1;  // Will be at offset sizeof(double)
  char   c2;  // Will be at offset sizeof(double)+sizeof(char).
};

struct bloated {
  char   c1;  // Must be at offset 0
  double d;   // Will be at offset alignof(double)
  char   c2;  // Will be at offset (alignof(double) + sizeof(double))
};

Answer 3

我想我找到了问题的答案。 字节在 char 和 short 之间而不是在 short 之后填充可能有两个原因。

1) 某些架构可能有 2 字节指令，仅从内存中获取 2 个字节。如果是这种情况，则需要 2 个内存读取周期来获取短路。

2) 某些架构可能没有 2 字节指令。即使在这种情况下，处理器也会从内存中获取 4 个字节到寄存器并屏蔽不需要的字节以获得短值。如果字节没有在 char 和 short 之间填充，处理器必须移动字节才能得到 short 值。

以上两种情况都可能导致性能下降。这就是为什么短字节是 2 字节对齐的。

Answer 4

编译器按照目标处理器(micro-)architecture 和ABI 的规定对齐数据。以x86-64 ABI spec 为例。

^{如果您的编译器与某些 ABI 指定的对齐方式不同，您将无法从符合该 ABI 的库中调用函数！}

在您的示例中，如果（在 x86-64 上）短字段 s 未在 2 个字节上对齐，则处理器必须工作更多（可能发出两次访问）才能获得该字段。

此外，在许多 x86-64 芯片上，高速缓存行通常是 16 字节（或者可能更少）的倍数。因此，将 call stack 帧对齐 16 个字节是有意义的。这对于类向量局部变量（AVX、SSE3 等）是必需的

在某些处理器上，错误对齐的数据会导致错误（例如，interrupt 表示机器异常）或显着减慢处理速度。此外，它可以呈现一些非原子访问（用于多核处理）。因此，一些 ABI 规定了比严格必要的更多的 ABI。此外，CPU 的一些最新功能（例如 vectorization，例如通过 SIMD 指令，例如 AVX 或 SSE3）确实受益于非常对齐的数据（例如对齐到 16 个字节）。如果你的编译器知道这种强对齐，它可能会进行更多优化——使用这样的指令。