什么是“堆栈对齐”？

Question

什么是栈对齐？ 为什么要使用它？ 编译器设置可以控制它吗？

此问题的细节源于尝试在msvc中使用ffmpeg库时遇到的问题，但我真正感兴趣的是什么是“栈对齐”的解释。

详情如下：

当运行连接到avcodec的msvc编译程序时，我会收到以下错误：“编译器未对齐堆栈变量。Libavcodec已经编译错误”，随后在avcodec.dll中崩溃。 avcodec.dll没有使用msvc编译，因此我无法看到内部发生了什么。 当运行ffmpeg.exe并使用相同的avcodec.dll时，一切都运转良好。 ffmpeg.exe没有使用msvc进行编译，它是使用gcc / mingw（与avcodec.dll相同）进行编译的。

谢谢，

丹

- DanJ

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既然其他人已经解释了堆栈对齐是什么以及为什么要使用它，我只想就“编译器设置是否可以控制它？”这个问题发表一下我的看法。请参见此问题。 - andreee

Answer 1

内存中变量的对齐方式（简史）。

过去计算机有一个8位数据总线。这意味着每个时钟周期可以处理8位信息。那时候还不错。

然后出现了16位计算机。由于向下兼容性和其他问题，保留了8位字节，并引入了16位字。每个字是2个字节。每个时钟周期可以处理16位信息。但这带来了一个小问题。

让我们看一下内存映射：

+----+
|0000| 
|0001|
+----+
|0002|
|0003|
+----+
|0004|
|0005|
+----+
| .. |

每个地址都有一个可以单独访问的字节。但是只能在偶数地址处获取字。因此，如果我们在0000处读取一个字，我们读取0000和0001处的字节。但是如果我们想要读取位置0001处的字，我们需要进行两次读取操作。首先读取0000,0001，然后读取0002,0003，我们只保留0001,0002。

当然，这会花费额外的时间，而且人们并不欣赏这种方式。因此他们发明了对齐方式。因此，我们将字变量存储在字边界上，将字节变量存储在字节边界上。

例如，如果我们有一个包含一个字节字段(B)和一个字字段(W)的结构体(并且使用非常简单的编译器)，我们得到以下结果:

+----+
|0000| B
|0001| W
+----+
|0002| W
|0003|
+----+

这并不好玩。但是当使用单词对齐时，我们发现：

+----+
|0000| B
|0001| -
+----+
|0002| W
|0003| W
+----+

在这里，为了提高访问速度而牺牲了内存。

可以想象，当使用双字（4字节）或四字（8字节）时，这一点更加重要。这就是为什么在大多数现代编译器中，编译程序时可以选择使用哪种对齐方式。

- Gamecat

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栈对齐的描述很好！ - Shaun Bouckaert

这很好地解释了为什么单词数组应该对齐。因为访问特定元素否则需要两次读取。但在包含字节和单词的结构的示例中：如果您读取完整结构，则在两种情况下都必须读取两个单词。 - Michael Lehn

@ToonKrijthe 为什么呢？机器可以以2字节的块读取内存，在您的示例中（如0000、0001或0002、0003），只需一次读取操作。因此，如果我的地址寄存器指向0001（奇地址而不是偶地址），那么我可以直接在一次读取操作中从那里读取2个字节（即0001和0002），对吗？ - User 10482

@User10482 去读一下PDF《每个程序员都应该知道的关于内存的知识》，第7页，图2.7。内存不像你在脑海中想象的那样以行形式存储，它是一个矩阵，因此你可以一次读取整行，但如果没有对齐，你需要进行两次读取访问。 - user2164703

@User10482 可能有用 - Vencat

Answer 2

一些CPU体系结构需要特定的各种数据类型对齐方式，如果您不遵守此规则，将会引发异常。在标准模式下，x86不要求基本数据类型进行对齐，但可能会受到性能惩罚（请查看www.agner.org以获取低级优化技巧）。

然而，SSE指令集（通常用于高性能）音频/视频处理具有严格的对齐要求，如果您尝试在未对齐的数据上使用它，则会引发异常（除非您使用某些处理器上速度较慢的未对齐版本）。

您的问题可能是一个编译器希望调用者保持堆栈对齐，而另一个编译器希望callee在必要时对齐堆栈。 编辑：至于为什么会出现异常，DLL中的例程可能希望在一些临时堆栈数据上使用SSE指令，并因为两个不同的编译器不同意调用约定而失败。

- snemarch

Answer 3

据我所知，堆栈对齐是指将变量放置在堆栈上，使其“对齐”到特定字节的数量。因此，如果您使用16位堆栈对齐，堆栈上的每个变量都将从当前函数内的堆栈指针的2字节倍数开始。

这意味着如果您使用小于2字节的变量，例如char（1字节），则它与下一个变量之间会有8位未使用的“填充”。这样可以基于变量位置进行某些优化假设。

调用函数时，向下一个函数传递参数的一种方法是将它们放置在堆栈上（而不是直接放入寄存器中）。这里是否正在使用对齐非常重要，因为调用函数将变量放置在堆栈上，由偏移量读取调用函数。如果调用函数对齐了变量，并且被调用函数希望它们不对齐，则被调用函数将无法找到它们。

似乎msvc编译的代码对于变量对齐存在争议。尝试关闭所有优化后再编译。

- Shaun Bouckaert

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sizeof(char)始终为1字节，至少为8位...而不是字节。对齐取决于编译器平台，(x86，无论如何)通常为32位体系结构的4字节，64位体系结构的8字节。 - snemarch

谢谢，确实是个脑抽，我在字节大小上犯了错误 :P。我之前选的是16字节作为任意示例，但用更小的例子会更清晰明了。 - Shaun Bouckaert

不，栈对齐是指维护堆栈指针本身的对齐。堆栈上的单字节局部变量可以位于任何地址。如果只有一个，则在下一个变量之前会填充空间，因为大多数ABIs将基本类型（如int）与其自身宽度（自然对齐）对齐。仅在栈上传递单字节对象时才会将其填充到“堆栈宽度”或插槽（单个push指令的大小）。 - Peter Cordes

Answer 4

据我所知，编译器通常不会对堆栈上的变量进行对齐。该库可能依赖于一些编译器选项，在您的编译器上不受支持。正常的解决方法是将需要对齐的变量声明为静态变量，但如果您在其他人的代码中这样做，您需要确保这些变量在函数中稍后被初始化而不是在声明中。

// Some compilers won't align this as it's on the stack...
int __declspec(align(32)) needsToBe32Aligned = 0;
// Change to
static int __declspec(align(32)) needsToBe32Aligned;
needsToBe32Aligned = 0;

或者，找到一个编译器开关来对齐堆栈上的变量。显然，我在这里使用的“__declspec”对齐语法可能不是您的编译器使用的。

- Dan Olson

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编译器确实会将变量在栈上按照ABI中指定类型的对齐保证/要求进行对齐。通常情况下，这意味着自然对齐：对齐=宽度，因此4字节的“int”获得4字节对齐。通过始终保持堆栈指针本身的16字节对齐，可以在堆栈上以16、8、4或2对齐变量而无需额外成本。 - Peter Cordes