什么是“堆栈对齐”？

Posted 2023-02-16

【中文标题】什么是“堆栈对齐”？

【英文标题】：what is "stack alignment"?

【发布时间】：2010-10-14 22:05:59

【问题描述】：

什么是堆栈对齐？ 为什么使用它？ 可以通过编译器设置来控制吗？

此问题的详细信息取自尝试将 ffmpeg 库与 msvc 一起使用时遇到的问题，但我真正感兴趣的是对什么是“堆栈对齐”的解释。

细节：

在运行我的 msvc 编译程序时，它链接到 avcodec，我得到了 以下错误：“编译器未对齐堆栈变量。Libavcodec 具有 被错误编译”，然后在 avcodec.dll 中崩溃。 avcodec.dll 不是用 msvc 编译的，所以我看不到里面发生了什么。 运行 ffmpeg.exe 并使用相同的 avcodec.dll 时一切正常。 ffmpeg.exe不是用msvc编译的，是用gcc/mingw编译的（和avcodec.dll一样）

谢谢，

丹

【问题讨论】：

既然其他人已经解释了堆栈对齐是什么以及为什么使用它，我只想添加我的两分钱关于“它可以由编译器设置控制吗？”。见this question

【参考方案1】：

内存中变量的对齐方式（历史很短）。

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。那时候还好。

然后是 16 位计算机。由于向下兼容等问题，保留了 8 位字节，引入了 16 位字。每个字为 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。

让我们看一个内存映射：

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

在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单词。因此，如果我们读取 0000 处的字，我们会读取 0000 和 0001 处的字节。但如果我们想读取位置 0001 处的字，则需要两次读取访问。首先是 0000,0001，然后是 0002,0003，我们只保留 0001,0002。

当然，这需要一些额外的时间，这并不值得赞赏。所以这就是他们发明对齐的原因。所以我们在字边界存储字变量，在字节边界存储字节变量。

例如，如果我们有一个包含字节字段 (B) 和字字段 (W) 的结构（以及一个非常幼稚的编译器），我们会得到以下结果：

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

这不好玩。但是当使用单词对齐时，我们发现：

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

这里为了访问速度牺牲了内存。

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

【讨论】：

堆栈对齐的精彩描述！

我正在努力学习组装，但我一直在努力理解对齐方式。这完全回答了我的问题！

总是乐于帮助别人:-)。

这很好地解释了为什么单词数组应该对齐。因为访问特定元素将需要两次读取。但是在带有一个字节和一个单词的示例中：如果您阅读完整的结构，那么在这两种情况下您都必须阅读这两个单词。

@ToonKrijthe " 但是单词只能在偶数地址获取。" 为什么这必须是真的，在你的例子中内存/堆栈指针不能指向 0001然后从那里开始读一个信息？

【参考方案2】：

某些 CPU 架构需要对各种数据类型进行特定对齐，如果您不遵守此规则，则会引发异常。在标准模式下，x86 对基本数据类型不要求这样做，但可能会遭受性能损失（查看 www.agner.org 了解低级优化技巧）。

但是，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会抛出异常（除非您在某些处理器上使用，慢得多的未对齐版本）。

您的问题是可能一个编译器期望 caller 保持堆栈对齐，而另一个期望 callee 在以下情况下对齐堆栈必要的。

编辑：至于为什么会发生异常，DLL中的一个例程可能想对一些临时堆栈数据使用SSE指令，并且由于两个不同的编译器不同意调用约定而失败.

【参考方案3】：

IIRC，堆栈对齐是指将变量放置在堆栈上“对齐”到特定数量的字节。因此，如果您使用 16 位堆栈对齐，堆栈上的每个变量将从一个字节开始，该字节是函数中当前堆栈指针的 2 个字节的倍数。

这意味着如果你使用一个小于 2 字节的变量，例如一个 char（1 字节），它和下一个变量之间会有 8 位未使用的“填充”。这允许基于可变位置的假设进行某些优化。

当调用函数时，将参数传递给下一个函数的一种方法是将它们放在堆栈上（而不是将它们直接放在寄存器中）。这里是否使用对齐很重要，因为调用函数将变量放在堆栈上，以便调用函数使用偏移量读取。如果调用函数对齐变量，而被调用函数期望它们不对齐，那么被调用函数将无法找到它们。

似乎 msvc 编译的代码在变量对齐方面存在分歧。尝试在关闭所有优化的情况下进行编译。

【讨论】：

sizeof(char) 始终为 1 字节，始终至少为 8 位......不是字节。对齐方式取决于编译器平台，并且（无论如何，x86）对于 32 位架构通常是 4 字节，对于 64 位架构通常是 8 字节。

谢谢，在字节大小上确实是个脑残：P。我选择了 16 个字节作为任意示例，但使用较小的示例会更清楚。

不，堆栈对齐是关于保持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，那么在下一个变量之前会有填充，因为大多数 ABI 会将 int 等基本类型与它们自己的宽度对齐（自然对齐）。只有在堆栈上传递参数时，才会将单字节对象填充到“堆栈宽度”或槽（单个 push 指令的大小）。

【参考方案4】：

据我所知，编译器通常不会对齐堆栈上的变量。该库可能取决于您的编译器不支持的某些编译器选项集。正常的解决方法是将需要对齐的变量声明为静态的，但如果你在其他人的代码中这样做，你会想要确保它们有问题的变量稍后在函数中初始化，而不是在声明。

// 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”对齐语法可能不是你的编译器使用的。

【讨论】：

编译器做将堆栈上的变量与 ABI 中指定的该类型的对齐保证/要求对齐。通常这意味着自然对齐：对齐 = 宽度，因此 4 字节 int 得到 4 字节对齐。为堆栈指针本身保持 16 字节对齐，可以将堆栈上的变量对齐 16、8、4 或 2，而无需额外成本。