自定义堆栈分配器中的 C++ 内存对齐

Question

通常情况下，数据的对齐方式与其大小有关，会对齐到二的幂次方地址。

那么对于一个大小为20字节或其他非二的幂次方大小的结构体或类应该如何对齐呢？

我正在创建一个自定义堆栈分配器，因此我想编译器不会为我对齐数据，因为我正在使用连续的内存块进行操作。

一些更多的背景信息：

我有一个分配器类，它使用malloc()来分配大量数据。然后我使用void* allocate(U32 size_of_object)方法来返回指针，以便我可以存储需要存储的对象。这样，所有对象都存储在同一个内存区域中，希望能够适合缓存，减少缓存未命中。

- Tiago Costa

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通常情况下，数据的对齐地址是二的幂，具体取决于数据的大小。-- 你从哪里得到这个结论的？普通地址空间中并没有那么多二的幂，可能只有20-50种……我真希望我们能够分配更多的对象！ - Kerrek SB

通常情况下，您不需要担心对齐问题。 - GManNickG

你实际上想做什么？你的编译器会自动处理许多对齐方面的考虑。你是要使用SSE指令或具有对齐限制的东西吗？ - Darren Engwirda

一个对象的大小从何时开始是2的幂次方？即使对于我这里可靠的long double也不是这样...而且，这根本不是你在问题中所说的。"多个"和"幂次方"这两个词的意思是不同的。 - Kerrek SB

@Tiago Costa： "2的幂"？？你确定他们没有说"2的倍数"，因为这两个概念非常不同... - Darren Engwirda

Answer 1

C++11有专门用于此目的的alignof运算符。不要使用其他帖子中提到的任何技巧，因为它们都有边缘情况或可能因某些编译器优化而失败。alignof运算符由编译器实现，并知道正在使用的精确对齐方式。 请参阅c++11新的alignof运算符的描述

- ex0du5

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alignof 运算符是专门为分配器而设计的。其他人提到不注意对齐可能会导致速度潜在下降，并且在调用带有转换内存块的函数时可能会导致调用堆栈问题。你关注这个问题是正确的。 - ex0du5

Answer 2

尽管编译器（解释器）通常会在对齐边界上分配单独的数据项，但数据结构经常具有不同对齐要求的成员。为了保持正确的对齐，转换器通常会插入额外的未命名数据成员，以使每个成员正确对齐。此外，整个数据结构可能会用最终未命名的成员填充。这使数组结构的每个成员都可以正确对齐。http://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure_alignment#Typical_alignment_of_C_structs_on_x86 这意味着编译器会在大多数情况下自动处理它。至于如何强制对象按特定方式对齐，这取决于编译器，并且仅在某些情况下起作用。

MSVC：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/83ythb65.aspx

__declspec(align(20)) 
struct S{ int a, b, c, d; };
//must be less than or equal to 20 bytes

GCC: http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-3.4.0/gcc/Type-Attributes.html GCC是GNU Compiler Collection的缩写，是一款开源编译器。上述链接提供了有关GCC类型属性的详细信息。

struct S{ int a, b, c, d; } 
__attribute__ ((aligned (20)));

我不知道有没有一种跨平台的方式（包括宏！）来做到这一点，但可能有一个很棒的宏存在。

- Mooing Duck

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问题是我自己编写了一个 void* allocate(U32 size_of_objects) 方法，它返回一个指向内存地址的指针。那么编译器会为我对齐对象吗？ - Tiago Costa

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/6ewkz86d(v=vs.80).aspx 表示“返回值指向的存储空间保证适合存储任何类型的对象”，因此是的。 - Mooing Duck

另外，如果您正在使用malloc，您将需要使用放置new。http://www.parashift.com/c++-faq-lite/dtors.html#faq-11.10 - Mooing Duck

这个回答似乎没有回答问题，问题是关于找到分配器所需的对齐方式。你正在对齐结构体的布局，而不是为其分配的内存。 - ex0du5

@ex0du5 在审核后，你是正确的。然而，正确答案在我的前两条评论中 :( - Mooing Duck

Answer 3

除非你想直接访问内存，或者将最大数据压缩在一块内存中，否则你不需要担心对齐 - 编译器会为你处理。

- Kornel Kisielewicz

Answer 4

由于处理器数据总线的工作方式，您要避免的是“未对齐”访问。通常，您可以从地址是四的倍数的地方在单次访问中读取32位值;如果您尝试从不是这种倍数的地址读取它，则CPU可能必须分两个或多个部分抓取它。因此，如果您真的担心这个细节级别的事情，您需要关注的不是整体结构，而是其中的部分。您会发现编译器经常使用虚拟字节对结构进行填充，以确保对齐访问，除非您使用#pragma强制禁止它们这样做。

- JustJeff

Answer 5

既然您现在已经添加了您实际上想要编写自己的分配器，那么答案就很简单：只需确保您的分配器返回一个指针，其值是请求大小的倍数。对象本身的大小已经适当调整（通过内部填充），以便所有成员对象本身都正确对齐，因此如果您请求sizeof(T)字节，则您的分配器所需做的就是返回一个值可被sizeof(T)整除的指针。

如果您的对象确实具有大小20（如sizeof所报告的），那么您就没有进一步担心了。（在64位平台上，该对象可能会填充到24个字节。）

更新：事实上，正如我现在才意识到的那样，严格来说，您只需要确保指针递归地对齐到您类型的最大成员即可。这可能更有效率，但将其对齐到整个类型的大小绝对不会出错。

- Kerrek SB

Answer 6

如何对齐大小为20字节或其他非2次幂大小的结构体或类？

对齐是与CPU相关的，因此在不知道目标CPU的情况下，无法回答这个问题。

一般来说，对齐不是你必须担心的事情；编译器已经为你实现了规则。它偶尔会出现，比如在编写分配器时。经典的解决方案在《C程序设计语言》（K&R）中有所讨论：使用最差的对齐方式。malloc就是这样做的，尽管它的措辞是，“如果分配成功，则返回的指针应该适当地对齐，以便可以将其分配给任何类型的对象的指针”。

实现这个的方法是使用一个union（union中的元素都分配在union的基地址处，因此union必须对齐以使每个元素都能够存在于该地址；即，union的对齐方式将与具有最严格规则的元素对齐）：

typedef Align long;
union header {
    // the inner struct has the important bookeeping info
    struct {
        unsigned size;
        header* next; 
    } s;
    // the align member only exists to make sure header_t's are always allocated
    // using the alignment of a long, which is probably the worst alignment
    // for the target architecture ("worst" == "strictest," something that meets
    // the worst alignment will also meet all better alignment requirements)
    Align align;
};

通过创建一个数组（使用类似于sbrk()的东西）来分配内存，该数组包含足够满足请求的header，以及实际包含簿记信息的另一个额外的header元素。如果数组称为arry，则簿记信息位于arry[0]，而返回的指针指向arry[1]（next元素用于遍历空闲列表）。

这样做是可行的，但可能会浪费空间（“在Sun的HotSpot JVM中，对象存储对齐到最近的64位边界”）。我知道一种更好的方法，它尝试获取特定类型的对齐方式，而不是“适用于任何内容的对齐方式”。

编译器通常也有特定于编译器的命令。它们不是标准的，并且需要您了解所涉及类型的正确对齐要求。我建议避免使用它们。

- Max Lybbert