Co to jest wyrównanie danych? Dlaczego i kiedy powinienem się martwić, gdy wskaźniki literowania w C?

Question

Nie mogłem znaleźć przyzwoitego dokumentu wyjaśniającego, jak działa system wyrównania i dlaczego niektóre typy są bardziej wyrównane niż inne.

Answer 1

Spróbuję wyjaśnić w skrócie.

Co to jest wyrównanie danych?

Architektura komputera składa się z procesora i pamięci. Pamięć jest organizowana w komórkach, więc:

0x00 | data | 
0x01 | ... | 
0x02 | ... | 

Każda komórka pamięci ma określony rozmiar, ilość bitów może przechowywać. Jest to zależne od architektury.

Po zdefiniowaniu zmiennej w swoim programie C/C++, jeden program zajmuje jedną komórkę: lub więcej.

Na przykład

int variable = 12; 

Załóżmy, każda komórka zawiera 32 bitów i wielkość int typu wynosi 32 bitów, to w gdzieś w pamięci:

variable: | 0 0 0 c | // c is hexadecimal of 12. 

Kiedy Twój procesor ma pracować na tym zmienna, musi ją wprowadzić do rejestru. Procesor może pobrać "1 zegar" małą ilość bitów z pamięci, rozmiar ten jest zwykle nazywany WORD. Ten wymiar zależy również od architektury.

Teraz załóżmy, że masz zmienną, która jest przechowywana, z powodu jakiegoś przesunięcia, w dwóch komórkach.

Na przykład mam dwie różne części do przechowywania danych (mam zamiar użyć „reprezentację ciąg do bardziej jasne”):

data1: "ab" 
data2: "cdef" 

Więc pamięć zostanie skomponowany w taki sposób (2): różne komórki

|a b c d|  |e f 0 0| 

Oznacza to, data1 zajmuje tylko połowę komórki, tak data2 zajmuje pozostałą część i część drugą komórkę.

Załóżmy teraz, że procesor chce odczytać data2. Procesor potrzebuje 2 zegarów w celu uzyskania dostępu do danych, ponieważ w ciągu jednego zegara odczytuje pierwszą komórkę, a w drugim zegarze odczytuje pozostałą część w drugiej komórce.

Jeśli możemy wyrównaćdata2 zgodnie z niniejszym pamięci-przykład, możemy wprowadzenie pewnego rodzaju wyściółką i przesunięcie data2 wszystkim w drugiej komórce.

|a b 0 0|  |c d e f| 
    --- 
    padding 

W ten sposób procesor będzie tylko stracić „1 zegar” w celu dostępu do data2.

Co robi system align

System align właśnie wprowadza że wyściółka aby wyrównać dane z pamięci systemu, należy pamiętać, zgodnie z architekturą. Gdy dane są wyrównane w pamięci, nie marnujesz cykli procesora w celu uzyskania dostępu do danych.

Wykonuje się to ze względów związanych z wydajnością (99% razy).

Answer 2

Jest to "definicja implementacji", tj. Wymagania dotyczące wyrównania nie są częścią specyfikacji języka.

Różne procesory mają różne wymagania dotyczące wyrównania. Niektórzy nie mogli adresować wartości 16-bitowej na nieparzystym adresie, niektórzy mogli. Niektóre z nich nie mogły zaadresować wartości zmiennoprzecinkowej, chyba że zostały wyrównane do adresu podzielnego przez jego rozmiar, inne mogłyby. I tak dalej. Niektórzy mieliby dostęp do źle wyrównanych obiektów danych wolniej niż prawidłowo wyrównane, inni mogliby przejść przez niewyrównany dostęp.

Dlatego standard językowy nie zawiera informacji o tym, który typ musi być wyrównany w określony sposób (ponieważ nie mógł), ale pozostawił go w "implementacji" - w tym przypadku w backendie kompilatora .

Jeśli wskażesz typ krojów pisma, możesz zmusić kod do adresowania danego obiektu pod adresem, do którego nie można go adresować. Należy upewnić się, że wymagania dotyczące wyrównania typu "starego" są następujące: co najmniej tak ścisłe, jak w przypadku "nowego" typu.

W języku C++ (C++ 11 w górę), operator alignof informuje o wymaganiach dotyczących wyrównania dla danego typu. Otrzymasz również operator alignas, aby wymusić bardziej ścisłe wyrównanie na danym typie lub obiekcie.

W C (C11 w górę), masz _Alignof i _Alignas operatorów, w <stdalign.h> Chusta do alignof/alignasconvenience macros. (Dzięki, Lundin - C11 nie jest moją mocną stroną.)

Answer 3

Niektóre systemy mogą uzyskać dostęp do pamięci w częściach, powiedzmy, słów 32-bitowych (4 bajty). To ograniczenie sprzętowe. Oznacza to, że rzeczywisty adres wchodzący do kontrolera pamięci powinien być podzielny przez cztery (ponieważ nadal adresuje bajty). Więc kiedy spróbujesz znaleźć słowo pod adresem, który nie jest podzielny przez cztery, istnieją dwie opcje - albo kompilator spróbuje wygenerować jakiś wymyślny kod, żeby skomponować słowo z dwóch dostępów do pamięci, ale nie zawsze tak jest. . Czasami po prostu wygeneruje kod dostępu do 4 bajtów z podanego adresu. A następnie procesor zakończy się niepowodzeniem z błędem wyrównania danych.

Co prowadzi do ograniczenia języka narzucającego się.

Rozważmy kod (zły):

uint8_t a[] = {1,2,3,4,5,6}; 
uint32_t b = *(uint32_t*)&a[1]; 

i zakładamy a jest dostosowana do podzielna przez cztery granice. Następnie druga linia próbuje odczytać słowo z adresu jego elementu sekund, tj. Adres nie podzielny przez cztery. Doprowadzi to do błędu wyrównania. Ale w C jest to po prostu zabronione przez ścisłą regułę aliasingu .