查询特定变量的对齐方式

Question

C++11引入了alignas指示符来指定变量的对齐方式，以及alignof操作符来查询特定类型的默认对齐方式。但是，我没有找到获取特定变量对齐方式的方法。让我们看下面这个简单的例子：

alignas(16) float* array;

这是我们可以采取的措施：

• alignof(float*) 返回 8，显然不是我们想要的。
• alignof(array) 返回 16，正好是我们想要的，但这是编译器扩展；根据标准指定的 alignof 不能用于特定变量。
• alignof(decltype(array)) 返回 8，这是可以预料的，但不是我们想要的。
• std::alignment_of 是基于 alignof 实现的，因此没有太大帮助。

我想要一种机制来确认特定变量 array 是否在 16 字节边界上对齐。标准中是否有任何方法来执行这样的查询？

- Morwenn

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alignof 不需要提供这个 - 它在 编译时 返回一个最小的契约 - 你想要一个在 运行时 的值。特定的变量在运行时可能非常好地对齐到页面边界、兆字节边界或其他位置（即比承诺或要求的要好得多）。获取变量的地址并检查它是否可以被您所需的对齐值整除。 - tofro

我不太清楚类似于＃define ALIGNED8（x）（（＆（x）&& 0x7）== 0）是否符合您的目的，或者为什么标准应该有重复这个简单结构的东西。 - tofro

你想知道某个变量的实际对齐方式或保证其最小对齐方式吗？ - MikeMB

您IP地址为143.198.54.68，由于运营成本限制，当前对于免费用户的使用频率限制为每个IP每72小时10次对话，如需解除限制，请点击左下角设置图标按钮（手机用户先点击左上角菜单按钮）。 - MikeMB

因为并非所有指针都只是内存地址。我使用过一台计算机，这种方法完全不适用（Prime迷你计算机。以字为寻址单位，并在一个扩展字中使用位偏移量——但位偏移量只能为0或8）。 - Martin Bonner supports Monica

Answer 1

您可以尝试类似以下的方式：

bool is_aligned(const volatile void *p, std::size_t n)
{
  return reinterpret_cast<std::uintptr_t>(p) % n == 0;
}

assert(is_aligned(array, 16));

上述假设一个平坦的地址空间，且对 uintptr_t 执行的算术运算等同于对 char * 执行的算术运算。

尽管这些条件适用于大多数现代平台，但标准并不要求这两个条件都必须满足。

只要在将 void * 强制转换为 uintptr_t 时可以被反向转换回来 (参见什么是 uintptr_t 数据类型)，实现可以执行任何转换。

更多细节请参见N4201（它提出了 is_aligned() 操作等其他内容）。

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编辑

这里需要 volatile 吗？

它允许这样的东西：

alignas(16) volatile float a;

assert(is_aligned(&a, 16));

没有使用 volatile 会导致以下错误：

第一个参数没有已知的从 'volatile float *' 到 'const void *' 的转换

进一步参考：

• 何时需要将指针强制转换为 volatile char&？
• 像“volatile int * p”这样的指向 volatile 的指针有什么用处？

- manlio

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如果需要这些保证，我可以理解为什么标准化函数会很有用。然而，N4201已被拒绝。 - Morwenn

@manlio，这里需要使用volatile吗？如果需要，那么它不应该是const void* volatile吗？ - user5434231

@user5434231 我已经在回答中添加了一些参考资料。 - manlio

将uintptr_t强制转换不需要进行任何转换即可使算术运算无效。考虑旧的8086地址模型，其中32位地址由16位段指针和16位偏移量组成，实际物理地址为segment<<4 + offset。 - Martin Bonner supports Monica

Answer 2

目前这个问题由 EWG 98 处理。我提交了一份文件：

alignas说明符适用于对象，影响它们的对齐要求但不影响它们的类型。因此目前无法确定对象的实际对齐要求。该文件建议允许将 alignof 应用于对象和引用。

在此时此刻，你能做的最好的办法是定义一个单独的变量来保存变量的对齐方式。

- Columbo

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很高兴看到其他人也考虑到这个问题并开始着手解决它 :) - Morwenn

Answer 3

您可以尝试这个方法：

template<size_t size, typename T>
constexpr bool IsAlignedAs(const T& v)
{
    return (reinterpret_cast<const size_t>(&v) % size) == 0;
}

std::cout << IsAlignedAs<16>(array) << std::endl;
std::cout << IsAlignedAs<32>(array) << std::endl;

- Elijan9

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顺便提一下，你可以使用 static_assert(IsAlignedAs<16>(array), "Array not aligned to 16"); 来检查你的数组是否对齐到16字节，但是你不能使用 static_assert(IsAlignedAs<32>(array), "Array not aligned to 32");，因为在编译时无法确定这个条件是否成立。 - Elijan9

不是clang的常量表达式。 - Jarod42

看起来确实是gcc特定的。在编译时检查地址的对齐方式（在将其链接到最终位置之前）似乎有点过早了... - Elijan9