在缓存中加载时的数据对齐

Question

假设自然对齐 4 字节。

struct Node
{
int data;
char c_data;
};
int main() {
int global = 10;
struct Node N;
for ( register int i = 0; i < 10; i++)
cout << global << N.data << endl; }

如果缓存行大小为 16 字节，并且我的程序正在循环访问这 2 个变量，这些变量将如何出现在缓存中？假设其他一切都是寄存器变量。

在同一缓存行上？

在不同的缓存行上？

如果缓存行相同，每个成员是否会从缓存中的 4 字节对齐地址开始？像全局变量将跨越 [0,3] 和 N 将跨越 [4,7].. 类似的东西？或者，如果结构只有一个字符，它甚至可以从缓存行中的 [5] 开始。

基本上，在将数据加载到缓存中时，是否根据结构的大小或它的第一个成员来考虑对齐？

Answer 1

缓存的使用方式主要取决于代码，即您在问题中提到但未发布的理论循环。循环之前使用的其他变量可能优先，具体取决于分配在何处的变量。即使给出详细的源代码并考虑到特定的系统，也很难准确地说出会发生什么。

在内存中相邻分配的变量是缓存友好的。基本上应该有一大块相邻分配的变量可以从 RAM 传输到缓存，以使缓存有效。如果您在完全不同的段中有变量，那将导致“缓存未命中”：也就是说，必须从缓存中丢弃某些内容，而必须从 RAM 中读取其他内容。

例如，如果您有一大块本地的、堆栈分配的变量，那么将它们全部存储在缓存中可能会有所帮助。

在您的情况下，global 分配在内存的 .data 部分中，N 分配在 .bss 部分中，因此它们根本不相邻并且不会被加载到同一个缓存中出于这个原因。这意味着在您的情况下，整个缓存讨论甚至都不适用。

如果您改为编写struct Node N = {1};，那么假设变量如果在代码中的相同位置使用，最终将在.data 中像这样分配似乎是合理的（我在疯狂地猜测）：

4 bytes - global
4 bytes - N.data
4 bytes - N.c_data

调整对齐以适应 CPU。缓存将只是镜像 RAM，没有任何东西“移动以适应对齐” - 当变量在 RAM 中分配时，对齐已经被处理了。

然后这整个块可能会作为一个整体读入缓存。