在 C++ 中声明、操作和访问未对齐的内存 [关闭]

Posted 2023-02-16

【中文标题】在 C++ 中声明、操作和访问未对齐的内存 [关闭]

【英文标题】：Declare, manipulate and access unaligned memory in C++ [closed]

【发布时间】：2016-10-07 17:00:05

【问题描述】：

我最近发布了一个关于unaligned memory access 的问题，但给出答案，我有点迷茫。我经常听到“对齐的内存访问比未对齐的访问效率更高”，但我实际上并不确定什么是未对齐的内存。因此：

什么是未对齐内存？ 如何在 C++ 中声明未对齐的内容？ （小示例程序） 如何访问和操作 C++ 中未对齐的内容？ （小示例程序） 是否有一种方法可以使用已定义的行为方法或所有这些方法在 C++ 中操作与平台相关/未定义的行为的未对齐内存？

【问题讨论】：

从您链接到的答案：“在 C++ 中，不可能编写执行未对齐访问而不导致未定义行为的代码”。

【参考方案1】：

某些东西是否未对齐取决于数据类型及其大小，正如 Gregg 的回答所解释的那样。

一个编写良好的程序通常没有未对齐的内存访问，除非编译器引入它。 （是的，这发生在矢量化过程中，但让我们跳过它）。

但是您可以用 C++ 编写程序来强制未对齐的内存访问。下面的代码就是这样做的。

#include <iostream>
using namespace std;
int main() 

  int a[3] 1, 2, 3;

  cout << *((long long *)(&a[0])) << endl;
  cout << *((long long *)(&a[1])) << endl;

  cout <<  (long long) (&a[0]) << endl;
  cout << (long long) (&a[1]) << endl;

  return 0;

代码的输出是这样的

8589934593
12884901890
70367819479584
70367819479588

这个程序有什么作用？ 我声明了一个大小为 3 的整数数组。该数组将是 4 字节对齐的，因为 int 是 4 字节数据类型（至少在我的平台上）。所以 a[0] 的地址可以被 4 整除。现在 a[0] 和 a[1] 的地址都可以被 4 整除，但只有其中一个的地址可以被 8 整除。

因此，如果我将 a[0] 和 a[1] 的地址转换为指向 long long（在我的平台上是 8 字节数据类型）的指针，然后引用这两个指针，其中一个将是未对齐的内存访问。这不是未定义的行为 AFAIK，但它会比对齐的内存访问慢。

如您所见，此代码包含 C 样式转换，这不是一个好习惯。但我认为执行一些奇怪的行为很好。

如果您对代码的输出有任何疑问，请告诉我。您应该了解整数的字节顺序和表示以理解前两行。第三和第四行是整数数组的前两个元素的地址。这应该更容易理解。

【讨论】：

事实证明，打破严格别名是 C++ 中未定义的行为。那部分我不知道。

【参考方案2】：

以 32 位计算机读取 4 字节数据为例：

在硬件中，32 位计算机一次读取 4 个字节，但只读取每 4 个字节。这是因为内存总线是 4 字节宽。

如果您的 4 字节数据不在这 4 字节边界之一开始，则计算机必须读取内存两次，然后在内部将 4 字节组装到单个寄存器。

根据选择的架构，编译器知道这一点并放置/填充数据结构，以便两个字节数据出现在两个字节边界上，4 字节数据从 4 个字节边界开始，等等。这是为了避免未对齐的读取.

如果您以字节形式读取数据（如从串行协议中读取数据），然后以 32 位字的形式访问它们，则可能会出现未对齐的读取。在速度关键代码中避免这种情况。通常它会为您处理好，不是问题。