資料結構對齊
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資料結構對齊是程式編譯後資料在記憶體內的佈局與使用方式。包括三方面內容:數據對齊、資料結構填充(padding)與包入(packing)。
現代計算機CPU一般是以32位元或64位元大小作地址對齊,以32位元架構的計算機舉例,每次以連續的4位元組為一個區間,第一個位元組的位址位在每次CPU抓取資料大小的邊界上,除此之外,如果要訪問的變量沒有對齊,可能會觸發匯流排錯誤。
當資料小於計算機的字(word)尺寸,可能把幾個資料放在一個字中,稱為包入(packing)。
許多程式語言自動處理資料結構對齊。Ada語言,[1][2] PL/I,[3] Pascal,[4] 某些C語言與C++實現, D語言,[5] Rust,[6] 與彙編語言允許特別控制對齊的方式。
定義
內存地址a被稱為n字節對齊,a是n的倍數(n應是2的冪),也可以理解為當被訪問的數據長度為n 字節時,數據地址為n字節對齊。如果內存未對齊,稱作misaligned。
內存指針是對齊的,如果它所指的數據是對齊的。指向聚合數據(aggregate data,如struct或數組)是對齊的,若且唯若它的每個組成數據是對齊的。
體系結構
RISC
大多數RISC處理器在加載或存儲指令訪問錯位的地址時,會產生一個對齊錯誤。這允許作業系統使用其他指令來模擬錯位的訪問。例如,對齊錯誤處理程序可以使用字節加載或存儲(其總是對齊的)來模擬更大的加載或存儲指令。
一些架構,如MIPS架構有特殊的無對齊加載和存儲指令。一條無對齊的加載指令從具有最低字節地址的內存字中獲取字節,另一條指令從具有最高字節地址的內存字中獲取字節。同樣的,store-high和store-low指令分別在較高和較低的內存字中存儲相應的字節。
DEC Alpha架構對不對齊的加載和存儲採用了兩步法。第一步是將上層和下層的內存字加載到獨立的暫存器中。第二步是使用類似於MIPS指令的特殊低/高指令來提取或修改內存字。通過將修改後的內存字存儲到內存中,就完成了一個無對齊存儲。造成這種複雜性的原因是,最初的Alpha架構只能讀取或寫入32位或64位的值。這被證明是一個嚴重的限制,經常導致代碼臃腫和性能不佳。為了解決這個限制,在最初的架構中加入了一個名為 "字節字擴展"(BXW)的擴展。它包括字節和字的加載和存儲指令。
因為這些指令比正常的內存加載和存儲指令更大、更慢,所以只有在必要時才可以使用它們。一些C和C++編譯器有一個 "無對齊 "屬性,可以應用於需要無對齊指令的指針。
x86
x86體系架構最初是不要求內存對齊。一些SSE2指令要求數據是128比特(16位元組)對齊。有些CPU指令用於未對齊訪問如MOVDQU。讀寫內存操作僅在對齊時才是原子的。
C語言struct在x86上的對齊
C語言資料結構內的成員按照先後順序在內存中存儲。
默認對齊
結構體中每個成員的類型通常有一個默認的對齊方式,也就是說,除非程式設計師另有要求,否則它將在一個預先確定的邊界上對齊。以下典型的對齊方式對微軟(Visual C++)、Borland/CodeGear(C++Builder)、Digital Mars(DMC)和GNU(GCC)的編譯器在為32位x86編譯時有效。
一個char(一個字節)變量將被1位元組對齊。
一個short(兩個字節)變量將是2位元組對齊的。
一個int(四個字節)變量將是4位元組對齊的。
一個long(四個字節)變量將被4位元組對齊。
一個float(四個字節)變量將是4位元組對齊的。
一個double(8個字節)變量在Windows上是8位元組對齊的,在Linux上是4位元組對齊的(用-malign-double編譯時選項是8位元組)。
一個long long(8個字節)變量將被4位元組對齊。
一個long double(C++Builder和DMC為10個字節,Visual C++為8個字節,GCC為12個字節)變量在C++Builder上將是8位元組對齊,DMC為2位元組對齊,Visual C++為8位元組對齊,GCC為4位元組對齊。
任何指針(四個字節)都將是4位元組對齊的。(例如:char*
, int*
)
與32位系統相比,LP64 64位系統在對齊方面唯一值得注意的區別是。
一個long(八個字節)變量將是8位元組對齊的。
一個double(8個字節)變量將是8位元組對齊的。
一個long long(8個字節)變量將是8位元組對齊的。
一個long double(在Visual C++中是8個字節,在GCC中是16個字節)變量在Visual C++中是8位元組對齊的,在GCC中是16位元組對齊的。
任何指針(八個字節)變量都將是8位元組對齊的。
有些數據類型取決於實現方式。
指定對齊
一些編譯器(Microsoft,[7] Borland, GNU,[8]等等)使用#pragma directive指定對齊的包入(packing)。例如:
#pragma pack(push) /* push current alignment to stack */
#pragma pack(1) /* set alignment to 1 byte boundary */
struct MyPackedData
{
char Data1;
long Data2;
char Data3;
};
#pragma pack(pop) /* restore original alignment from stack */
這個結構在32位系統的大小為6位元組。
預設packing與#pragma pack
Microsoft編譯器的項目預設packing(編譯選項/Zp)與#pragma pack指令。#pragma pack指令僅能減少packing尺寸。[9]
參見
參考文獻
- ^ Ada Representation Clauses and Pragmas. GNAT Reference Manual 7.4.0w documentation. [2015-08-30]. (原始內容存檔於2015-10-13).
- ^ F.8 Representation Clauses. SPARCompiler Ada Programmer's Guide (PDF). [2015-08-30]. (原始內容存檔 (PDF)於2021-12-16).
- ^ IBM System/360 Operating System PL/I Language Specifications (PDF). IBM. July 1966: 55–56 [2017-11-21]. C28-6571-3. (原始內容存檔 (PDF)於2019-05-29).
- ^ Niklaus Wirth. The Programming Language Pascal (Revised Report) (PDF): 12. July 1973 [2017-11-21]. (原始內容 (PDF)存檔於2015-03-15).
- ^ Attributes - D Programming Language: Align Attribute. [2012-04-13]. (原始內容存檔於2012-04-09).
- ^ The Rustonomicon - Alternative Representations. [2016-06-19]. (原始內容存檔於2016-05-09).
- ^ pack. [2017-11-21]. (原始內容存檔於2017-03-28).
- ^ 6.58.8 Structure-Packing Pragmas. [2017-11-21]. (原始內容存檔於2017-01-08).
- ^ Working with Packing Structures. MSDN Library. Microsoft. 2007-07-09 [2011-01-11]. (原始內容存檔於2012-10-18).
- Bryant, Randal E.; David, O'Hallaron. Computer Systems: A Programmer's Perspective 2003. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. 2003 [2017-11-21]. ISBN 0-13-034074-X. (原始內容存檔於2007-08-06).
外部連結
- IBM developerWorks article on data alignment (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Article on data alignment and performance (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- MSDN article on data alignment
- Article on data alignment and data portability (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Byte Alignment and Ordering (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Data Alignment when Migrating to 64-Bit Intel® Architecture (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- PowerPC Microprocessor Family: The Programming Environments for 32-Bit Microprocessors