Зачем нужно выравнивание памяти по слову?

Question

[sddvxd]

Почему это добавляет эффективности программному коду? Что мешает адресоваться по нечетным адресам и почему структура

struct block{
char a;
char b;
char* c;
};

занимает не 16, а 8 байт (в 32 битной программе)? Если компилятор генерирует вместо этой структуры такую

struct decoratedblock{
char a;
char zero[1];
char b;
char zero[1];
char* c;
};

Получается, что b может находится по адресу, не кратному машинному слову в 32 бита. Почему между a и b не 3, а 1 нулевой байт? Подскажите пожалуйста, немного запутался

Comments

[Евгений Шатунов]

sddvxd

struct decoratedblock{
char a;
char zero[1];
char b;
char zero[1];
char* c;
};

Это неправильное предположение.

Вот так будет на самом деле.

struct decoratedblock{
char a;
char b;
char zero[2];
char* c;
};

[sddvxd]

Евгений Шатунов, То-есть, чтобы процессор мог взять данные по адресу &b, ему придется взять 4 байта по адресу &a, и оттуда уже взять второй байт (в big-endian)?

[Евгений Шатунов]

sddvxd

ему придется взять 4 байта по адресу &a

Да, ему так удобнее. Я в своем ответе не стал углубляться в детали, т.к. любые детали в ответе на твой вопрос - это перепечатка статей - дело неблагодарное.
Если коротко, то процессору куда удобнее взять в регистр данные по объему регистра, потом часть данных сдвинуть, а другую - отсечь прямо в регистре. Так быстрее и легче.

Если хочется узнать детали, то тебе лучше самостоятельно изучить и организацию кэшей процессора, и протокол MESI, и организацию банков оперативной памяти.

Answer 1

[Rsa97]

Большинство современных процессоров читают данные из памяти не отдельными байтами, а блоками по 2-4-8 байт. Соответственно, если у вас данные не выравнены в памяти и начало попадает в один блок, а конец в другой, то для чтения надо будет получить два таких блока.

Comments

[sddvxd]

Все-равно не понятно - допустим я захотел по такому-то адресу взять dword - как это выравнивание сможет ускорить эту операцию? То-есть никаких усилий дополнительных не оказывается, ему приказали - он взял. Пусть хоть одна часть структуры будет в начале адресного пространства, другая в конце - каким образом это повлияет на скорость работы с данными, если только программист знает, что такое структура, процессор же просто читает и записывает эти блоки в память

[sddvxd]

похоже на заговор производителей оперативной памяти, чтобы больше заработать

[Roman]

sddvxd, не похоже
https://docs.microsoft.com/ru-ru/cpp/cpp/alignment...

[zed]

sddvxd, Если на пальцах: CPU физически может читать память по адресам: 0, 4, 8, 16 и т.д. Микросхемы так распаяны и логика так построена, что проц не может обратиться к ячейке памяти 1 или 2, а только 0 или 4. И если вы теперь положите свои 2 байта на границу слова, т.е. в 3-й и 4-й байт памяти, то процессору придётся сходить в память 2 раза: один раз по адресу 0 (за третьим байтом) и второй раз по адресу 4. Затем он сохранит эти ваши 2 байта у себя в регистре/кэше и будет уже что-то там делать дальше. Суть в том, что сходить в память - долгая операция, а тут ещё приходится и 2 раза туда ходить, чтобы получить значение одной переменной. Поэтому и сделано выравнивание и процессор не ходит по два раза, а считывает переменную за раз.

[Rsa97]

sddvxd, Это просто особенности архитектуры.
Во-первых, если читаем/пишем из памяти не по одному байту, то можно уменьшить количество адресных линий.
Во-вторых, если у нас большая часть работы идёт с 4-байтовыми данными (32-битные регистры), то читать один раз 4 байта гораздо быстрее, чем 4 раза по байту.
В-третьих, есть ещё кэш. И в нём тоже нерационально делать однобайтные линейки, так как для каждой линейки надо иметь служебную информацию.

[sddvxd]

zedxxx, то-есть, если на языке ассемблера написать такое mov ax, word [0] - что тогда произойдет? на самом деле процессор возьмет не 2, а 4 байта и из них возьмет 2 старших (в little-endian), если требуемые байты находились по адресу 0? То-есть

01 02 03 04 - это содержимое памяти, начиная с адреса 0
Процессор не может взять 2 байта, берет 4. Из этих 4 берет 2 старших, поскольку именно они нам и нужны
Про выравнивание немного начал понимать, Ведь процессор может взять за раз не больше его машинного слова, а раз вы говорите, что CPU так устроен, что может обращаться лишь к адресам 0, 4, 8, 12, 16 и тд то все начинает сходиться

[zed]

sddvxd, Да, примерно так. Полезные ссылки:
Data alignment: Straighten up and fly right
Purpose of memory alignment

[sddvxd]

zedxxx, спасибо, очень годная статья. теперь становится понятно, почему программы на ассемблере почти непереносимы, не только из-за различия в порядке байтов. Интересно, программист, который пишет на асме должен заботится о таких вещах или за него все сделает компилятор?

Answer 2

[Евгений Шатунов]

Разобраться с вопросом тебе поможет статья: Расставим точки над структурами C/C++.
Если точнее, то тебе стоит детально изучить первый же пункт статьи: Выравнивание полей памяти.

В общем выравниваются в памяти поля по границе кратной своему же размеру. То есть 1-байтовые поля не выравниваются, 2-байтовые — выравниваются на чётные позиции, 4-байтовые — на позиции кратные четырём и т.д.

Comments

[jcmvbkbc]

Тут нет ответа на вопрос "зачем нужно выравнивание". Требования стандарта -- это следствие, а не причина.

Answer 3

[jcmvbkbc]

Я не знаю, можно ли такого уровня детали найти для современных процессоров, а вот для i80386 в спецификации, в разделе 5.3.6 легко можно видеть, что невыравненный доступ к памяти занимает два цикла, вместо одного.
За пределами мира x86 многие процессоры вообще не поддерживают доступ к невыравненным данным на аппаратном уровне.

Answer 4

[Роман]

В подтверждение слов Rsa97 и zedxxx могу привести код на godbolt.
Там выбрана архитектура ARM, так как там хорошо видно разницу из-за его простоты.

В жёлтом блоке ассемблерного кода происходит побайтовое чтение поинтера из байт 3, 4, 5, 6 и его склеивание, т.к. отключено выравнивание.
В голубом блоке происходит чтение сразу всего поинтера потому что он выровнен.

Answer 5

[Сергей Сахно]

Потому что размер указателя 4 байта, вот и остальные элементы выровнены на 4

Comments

[q2zoff]

Павел, поясните, пожалуйста, относительно 2 младших битов.

[q2zoff]

Павел, теперь понятно, благодарю. Если бы сразу написали о двух зануленных младших битах, а не об их отсутсвии, то вопросов бы не возникло :)