32位英特尔处理器上的内存对齐

Question

英特尔的32位处理器，如奔腾系列，拥有64位宽数据总线，因此每次访问可以获取8个字节。基于这个事实，我假设这些处理器发出的物理地址在地址总线上总是8的倍数。

首先，这个结论是否正确？

其次，如果这个结论正确，那么数据结构成员应该按照8字节对齐。但是我看到有人在这些处理器上使用4字节对齐。

他们如何证明这样做是合理的？

- Frederick The Fool

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我不知道这个问题的意思，但是我对它与编程有何关联以及它如何影响我感到很感兴趣。我在哪里可以阅读有关这种低级类型的基础介绍？ - Rich Bradshaw

请看《程序员应该了解的内存知识》（What Every Programmer Should Know About Memory）：http://people.redhat.com/drepper/cpumemory.pdf - Crashworks

从“请求的读取总是8的倍数”到“您的数据应始终在8字节边界上开始”，您如何理解？我不认为它们之间存在逻辑联系。只要数据没有跨越 8字节边界，我们就可以了，对吗？ - jalf

Answer 1

通常的经验法则（来自Intel和AMD的优化手册）是每种数据类型应该按其自身大小对齐。一个 int32 应该在32位边界上对齐，int64 在64位边界上对齐，等等。字符可以放在任何地方。

当然，另一个经验法则是“编译器已经被告知有关对齐要求”。你不需要担心它，因为编译器知道添加正确的填充和偏移量以允许高效地访问数据。

唯一的例外是在使用SIMD指令时，大多数编译器都需要手动确保对齐。

其次，如果正确的话，那么应该将数据结构成员对齐到8字节边界。但我看到一些人在这些处理器上使用4字节对齐。

我不明白这有什么影响。CPU可以简单地发出读取包含这4个字节的64位块的指令。这意味着它会在所请求的数据之前或之后获得4个额外的字节。但在这两种情况下，都只需进行一次读取。32位对齐32位宽度的数据可以确保它不会跨越64位边界。

- jalf

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不过，如果这4个字节跨越了一个64位块到下一个块，那么就不行。 - mP.

如果它在4字节边界上对齐，那会怎样发生？ - jalf

我很难相信我错过了这个简单的推理。当你用4个字节就能达到相同效果时，为什么要在8字节对齐中浪费4个额外的字节呢？谢谢Jalf。你说的非常有道理。 - Frederick The Fool

@jalf，我还发布了另一个与对齐有关的问题（在这种情况下，是关于大小小于架构大小的单词），我不确定你回答中应用的推理是否适用于我的问题：http://stackoverflow.com/questions/22820576/reading-shorts-in-32-bits-architectures-for-example - ABu

编译器已经了解了对齐要求。但是编译器也必须遵守语言规范，对于C语言而言，这意味着不能重新排列成员。在许多平台上，重新排列结构成员可以提高性能，尽管在x86处理器上可能不会，但仍可能减少内存占用。 - yyny

Answer 2

物理总线宽度为64位，是8的倍数 --> 是的

但是，还有两个因素需要考虑：

1. 一些x86指令集是按字节寻址的。有些是32位对齐的（这就是为什么你有4字节的东西）。但没有（核心）指令是64位对齐的。CPU可以处理不对齐的数据访问。
2. 如果您关心性能，应该考虑缓存行而不是主内存。缓存行要宽得多。

- J-16 SDiZ

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我不理解。你同意像Pentium这样的处理器只在地址总线上放置8的倍数。然后你说4字节对齐是可以的。好吧，考虑地址0x000044444。虽然它是4字节对齐的，但处理器永远不会在地址线上发出这个地址，因为它不是8的倍数。因此，在这个地址处获取内存将需要两次获取。那么如何证明4字节对齐是合理的呢？ - Frederick The Fool

为什么需要两次获取？只需请求从0x000044440到0x000044447的所有数据，因为我们只关心0x000044444-0x000044447，有什么问题吗？ - jalf

为什么要谈论指令对齐，这毫无意义。使用NOP填充指令以达到某个边界并没有任何作用。 - mP.

x87指令可以执行64位的加载/存储操作（包括对64位整数数据的fild/fistp操作），而Pentium处理器已经集成了这个功能。此外，Pentium的lock cmpxchg8b指令也可以执行64位操作，但如果跨越缓存行边界，则速度非常慢。虽然没有指令需要32位对齐，但是它们受益于不跨越缓存行边界。 - Peter Cordes

Answer 3

他们这样做是有道理的，因为更改为8字节对齐将构成ABI更改，并且微小的性能提升不值得麻烦。

正如其他人已经说过的那样，缓存行很重要。所有实际内存总线上的访问都是以缓存行为单位（在x86上为64字节，如果我没记错的话）。请参阅已经提到的“每个程序员都需要了解的关于内存的知识”文档。因此，实际的内存流量是64字节对齐的。

- janneb

Answer 4

对于随机访问，只要数据没有错位（例如跨越边界），我认为这并不重要；硬件可以使用简单的AND构造找到正确的地址和数据偏移量。当一个读取操作不足以获取一个值时，速度会变慢。这也是编译器通常将小值（字节等）放在一起的原因，因为它们不必在特定的偏移量上；short应该在偶数地址上，32位在4字节地址上，64位在8字节地址上。

请注意，如果涉及缓存和线性数据访问，则情况将有所不同。

- Lucero

Answer 5

你所提到的64位总线是用来供给缓存的。作为CPU，总是读写整个缓存行。缓存行的大小始终是8的倍数，并且其物理地址确实对齐于8字节偏移量。

从缓存到寄存器的传输不使用外部数据总线，因此该总线的宽度无关紧要。

- MSalters