栈对齐是如何工作的？

Question

我之前从未完全理解函数中的堆栈对齐和堆栈上的“对齐加载/存储”之间的区别。

我正在阅读一些PTX代码，我看到了这个：

 function()

   .local .align 16 .byte stack_memory[200];
   // This should mean the stack memory starts at an address aligned to 16 (why would this be necessary?)

   load_byte_from_stack reg, [stack_memory+1];
   // It seems reading 1 byte is always safe (why?)

   load_float32_from_stack reg, [stack_memory+8];
   // It also seems that reading 32 bit from an address aligned to 32 bit (4 bytes) is also safe (why??)

   load_two_float32_from_stack reg, [stack_memory+12];
   // This should not be right (why?)

我的问题在代码中，但关键是：

我不太明白为什么堆栈分配应该对齐到一个地址，以及如果我可以从完全不对齐的地址读取1个字节并从地址只是4的倍数的地方读取float32，那么为什么这很重要。

- user129506

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并非所有的架构都允许未对齐的访问，即使对于那些允许的架构，也往往存在性能惩罚。 - Paul R

好的，如果我将堆栈内存对齐到16，为什么我可以在任何对齐到4的地方读取浮点数？这听起来很奇怪...为什么一开始要将整个东西对齐到16呢？ - user129506

Answer 1

这是一个有趣的问题。让我试着解释一下你的代码：

.local .align 16 .byte stack_memory[200]; 

问：这应该意味着堆栈内存从一个地址开始对齐到16个字节（为什么需要这样做？）

答：答案是因为优化和数据一致性。将缓冲区对齐到16B确保缓冲区分布在最少的缓存行中。如果一个缓存行是16B（它们通常是64B的当前架构），对齐缓冲区将确保前16B存储在第一行，接下来的16B存储在下一行，以此类推。现在，如果你想在16B上执行SIMD操作，只需要访问一个单独的缓存行。如果没有对齐，你可能会访问2个缓存行，很可能在你访问第一行时，其他计算单元修改了第二行，那么会发生什么？

load_byte_from_stack reg, [stack_memory+1];

问题：为什么读取一个字节总是安全的？

回答：因为一个字节不会跨越两个不同的缓存行。

load_float32_from_stack reg, [stack_memory+8]; 

问题：似乎从一个32位对齐的地址读取32位（4个字节）也是安全的（为什么？）

回答：同样的原因。由于对齐，你可以确信你的4B值不会跨越两个连续的缓存行。

load_two_float32_from_stack reg, [stack_memory+12];

问题: 这不应该是正确的（为什么？）

答案: 是的，这是有问题的，特别是对于具有宽松内存模型的架构。如果缓存行只有16B，那么将偏移量对齐到16B并从偏移量12处读取2 x 4B，将从第1行读取第一个4B，然后从第2行读取下一个4B。如果程序员没有意识到第二个4B在读取之前可能已被其他人修改（因为读取指令不能阻塞2个缓存行），那么可能会引起一些相关性问题。

希望这可以帮到您。

- VAndrei