如何在堆栈上对齐缓冲区？

Question

我希望实现一个按大小对齐的内存缓冲区，以便我可以使用DMA控制器的模数功能来实现环形缓冲区。我知道可以使用memalign来做到这一点，但我想知道是否可能在堆栈上实现，因为迄今为止我已经能够避免使用动态内存。我正在使用GCC 4.4.1，并且我不关心可移植性（嵌入式系统）。

我想像下面这样做：

template<uint16_t num_channels, uint16_t buffer_size>
class sampler {
    __attribute__((aligned(buffer_size * num_channels * 2)))
    uint16_t buffer[buffer_size][num_channels];
};

当然，GCC不接受非常量对齐方式（而且似乎表明大于8的对齐方式可能无法得到遵守）。

我认为我可以使用C++0x的alignas()来实现这一点，但在GCC版本4.8之前似乎没有出现过它。

我猜一个选项可能是将缓冲区的大小加倍，但那似乎会浪费很多空间（我计划尝试利用设备内存的大部分空间来存储这个缓冲区）。也许我应该放弃并使用动态内存。使用memalign会在浪费空间方面相对有效吗？

有什么想法吗？

- Christopher Mason

---

你为什么需要这样奇怪的对齐方式（缓冲区大小）？通常所需的对齐方式是基本类型（int，__m128），页面（通常为4KB），或页面分配粒度（在Windows上通常为64KB，不知道您的控制器如何处理）。 - Cory Nelson

可能是因为它简化了DMA操作的封装逻辑。当您的内存还要被基于简单硬件状态机的DMA控制器访问时，额外的限制就会出现。 - Chris Stratton

你是否考虑将缓冲区放在自己的翻译单元中，然后使用链接器指令来强制对齐或为该单元设置起始地址？如果您想要它在堆栈上，我认为您需要分配两倍的缓冲区大小。memalign()将使用对齐浪费的空间来满足其他内存分配请求。 - brian beuning

这是在ARM Cortex M4上（实际上是teensy 3）上运行，没有MMU。 - Christopher Mason

@brianbeuning 关于“链接器指令”，我猜我得在.ld文件中选择一个缓冲区大小？如果不是，你能否进一步描述一下？我的长期目标之一是制作一个可供他人使用的Arduino库，因此模板非常有吸引力，因为用户可以轻松地在自己的项目中指定大小。 - Christopher Mason

有人知道吗，如果alignas()可用的话（看起来像C++11），它是否会为我实现这个功能？或者它是否会在某个值上达到最大值（例如属性对齐）？顺便说一下，感谢所有的讨论，这真的很有帮助！ - Christopher Mason

Answer 1

你不需要将存储空间大小加倍，只需添加（对齐-1）即可 - 基本上与幕后的memalign执行的操作相同。 对于2的幂次方对齐：

char buf[size + (alignment -1)];
char *aligned = (char*)((intptr_t)buf + (alignment - 1) & ~intptr_t(alignment - 1));

- Cory Nelson

---

这也是我的想法，但我认为在这种情况下对齐大小与缓冲区大小相同，因此该方法将需要比缓冲区大小少一倍的1。 - Chris Stratton

@Chris 如果这样的话，你一开始就不会浪费太多内存。而且实际上也没有什么可以做的，当你调用它时，sp 将具有特定值，最坏情况下意味着将 alignment - 1 添加到当前值并基本上浪费它。你可以动态计算需要浪费多少来进行对齐，然后在堆栈上动态分配数组，但也仅此而已。 - Voo

@Christopher 不，我确实是指堆栈 (stack)。堆栈上的可变长度数组是 C99 标准的一部分，但不是 C++11 的一部分。但大多数编译器都支持它们的扩展，g++ 显然也是如此 (在这种情况下，VLAs 和固定大小的数组已经引起了同样的问题)。在某些情况下会节省一些内存，但在最坏的情况下，您将不得不浪费 alignment-1 个字节的内存。无论如何都无法避免这个问题。 - Voo

@Voo 哦，我明白你的意思了；我想我已经通过模板来做到这一点了。因此，你建议将缓冲区的大小加倍，然后计算对齐方式。 - Christopher Mason

@Christopher 不，数组的大小（这是您在模板中指定的内容）和函数调用时堆栈指针的实际值之间存在差异。所需的对齐取决于堆栈指针的值。但是，即使您让编译器为您执行对齐操作，它也不能做比您已经做的更多（它可以重新排列本地变量以最小化浪费的空间）。 - Voo

Answer 2

我已经很久没有使用链接器命令文件了，但我认为它应该是这样的。

创建带有文件缓冲区.cpp的文件

char buffer[ BUFFER_SIZE ];

一个对象文件有名为.bss（用于未初始化数据）、.data（用于已初始化数据）和.text（用于可执行代码）的部分。 由于buffer[]未初始化，因此将放在.bss中。

因此，像这样的（gnu）链接器文件应该可以解决问题。

SECTIONS {
   .bss 0x0  : {
        buffer.o(.bss)
        *(.bss)
    }
   .data : {
        *(.data)
    }
   .text : {
        *(.text)
    }
}

0x0 告诉链接器将 buffer[] 加载到地址 0x0。

- brian beuning

Answer 3

你能否创建一个比buffer_size更大的缓冲区，然后计算一个偏移量以从中开始吗？

- James

Answer 4

如果您的嵌入式系统具有内存管理单元，那么在每次运行时只分配一次动态内存，就没有必要担心其谨慎使用。

如果没有内存管理单元，您可以考虑使用链接器映射文件为其分配固定位置。

对于实际操作系统的系统，DMA兼容缓冲区可能需要由内核进行特殊分配。

- Chris Stratton