什么是执行区域和输入部分的过度对齐？

Question

我今天遇到了类似于以下的代码，我很好奇实际发生了什么：

#pragma pack(1)
__align(2) static unsigned char multi_array[7][24] = { 0 };
__align(2) static unsigned char another_multi_array[7][24] = { 0 };
#pragma pack()

在 Keil 编译器中搜索对 __align 关键字的引用时，我遇到了这个：

执行区域和输入部分的过度对齐 在某些情况下，您想要过度对齐代码和数据部分...如果您可以访问原始源代码，则可以在编译时使用__align(n) 关键字...

我不明白“过度对齐代码和数据部分”是什么意思。有人可以帮助澄清这种过度对齐是如何发生的吗？

Answer 1

编译器自然会根据系统的需要“对齐”数据。例如，在典型的 32 位系统上，32 位整数应该始终是单个 4 字节字（而不是部分在一个字中，部分在下一个字中），因此它将始终以 4-字节字边界。 （这主要与处理器上可用的指令有关。系统很可能有一条指令可以将内存中的单个字加载到寄存器中，而很少有单个指令可以加载任意四个序列相邻字节到寄存器中。）

编译器通常通过在数据中引入间隙来做到这一点；例如，在这样的系统上，struct 和 char 后跟 32 位 int 将需要八个字节：一个字节用于 char，三个字节填充符，因此 int 是右对齐，四个字节用于 int 本身。

“过度对齐”数据是要求比编译器自然提供的更大对齐。例如，您可能要求 32 位整数从 8 字节边界开始，即使在使用 4 字节字的系统上也是如此。 （这样做的一个主要原因是，如果您的目标是与使用 8 字节字的系统实现字节级互操作性：如果您将 structs 从一个系统传递到另一个系统，则您希望两者具有相同的间隙系统。）

Answer 2

所谓过度对齐，Keil 的意思就是将对象对齐到比数据类型所需更大的对齐边界更复杂。

请参阅__align 的文档：“您只能过度对齐。也就是说，您可以使 2 字节对象四字节对齐，但不能将四字节对象对齐 2 字节。”

对于链接器，您可以使用ALIGNALL 或OVERALIGN 指令强制对其他二进制模块中的部分进行额外对齐。出于性能原因，这可能很有用，但并不常见。

Answer 3

过度对齐是指数据的对齐方式超过其默认对齐方式。例如，一个 4 字节的int 通常具有 4 字节的默认对齐方式。 （意味着地址可以被 4 整除）

数据类型的默认对齐方式通常（但不总是）数据类型的大小。

过度对齐允许您将此对齐增加到比默认值更大的值。

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至于你为什么要这样做：

这样做的一个原因是能够访问具有更大数据类型（具有更大对齐）的数据。

例如：

char buffer[16];

int *ptr = (int*)&buffer;

ptr[0] = 1;
ptr[1] = 2;

默认情况下，缓冲区只会对齐到 1 个字节。但是，int 需要 4 字节对齐。如果buffer 未对齐到 4 个字节，则会出现未对齐异常。 （AFAIK，ARM 不允许未对齐的内存访问……x86/64 通常会这样做，但会降低性能）

__align() 将让您强制对齐以使其工作：

 __align(4) char buffer[16];

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在使用 SIMD 指令时也会出现类似的情况。您将使用较大的 SIMD 数据类型访问较小的数据类型 - 这可能需要更大的对齐方式。