指定 64 位对齐

Posted 2023-03-05

【中文标题】指定 64 位对齐

【英文标题】：Specifying 64-bit alignment

【发布时间】：2012-06-12 15:25:07

【问题描述】：

给定一个结构定义，如

struct foo 
    int a, b, c;
;

什么是最好的（最简单、最可靠和可移植的）方法来指定它应该始终与 64 位地址对齐，即使在 32 位版本上也是如此？我正在使用 C++11 和 GCC 4.5.2，并希望也支持 Clang。

【问题讨论】：

我很好奇；为什么 32 位系统上的对齐方式很重要？或者，实际上，在 64 位系统上，因为该结构通常不需要超过 32 位对齐。

一旦编译器支持它，你就可以使用 alignas。

@JonathanLefler：我假设允许某些自动 sse 优化。 gcc 最近刚刚添加了一些 __builtin_assume_aligned 来告诉编译器这些东西应该是对齐的。使用gcc.godbolt.org 示例可能会提供更多见解。

@PlasmaHH：是的，但 GCC 4.5.2（甚至 4.7.0）没有。而且您必须将 64 位对齐类型传递给 alignas。那么你会通过哪种类型呢？

因为我打算使用指针的低位作为标记位。典型的用例是 64 位平台和重指针数据结构，给我三个标记位，但我想确保代码在 32 位编译时仍然有效。

【参考方案1】：

[[gnu::aligned(64)]] in c++11 annotation std::atomic <int64_t> ob [[gnu::aligned(64)]]

【参考方案2】：

您应该使用__attribute__((aligned(8))。但是，我发现此描述仅确保分配的结构大小是 8 字节的倍数。它不能确保起始地址是倍数。

例如。我使用__attribute__((aligned(64))，malloc 可能会返回一个 64Byte 长度的结构，其起始地址为 0xed2030。

如果你想对齐起始地址，你应该使用aligned_alloc： gcc aligned allocation。 aligned_alloc(64, sizeof(foo) 将返回 0xed2040。

【参考方案3】：

便携？我真的不知道真正便携的方式。 GCC 有__attribute__((aligned(8)))，其他编译器也可能有等价物，您可以使用预处理器指令检测。

【参考方案4】：

我很确定 gcc 4.5.2 已经足够老了，它还不支持标准版本，但是 C++11 添加了一些专门用于处理对齐的类型 -- std::aligned_storage 和 std::aligned_union 等等东西（有关详细信息，请参阅第 20.9.7.6 节）。

在我看来，最明显的方法是使用 Boost 的 aligned_storage 实现（或 TR1，如果你有的话）。如果您不希望这样，我仍然会认真考虑在您的大多数代码中使用标准版本，并且只需编写一个小的实现供您自己使用，直到您更新到实现该标准的编译器。然而，可移植代码看起来仍然与大多数直接使用 __declspec(align... 或 __attribute__(__aligned__, ... 之类的代码略有不同。

特别是，它只是给你一个请求大小的原始缓冲区和请求的对齐。然后由您决定使用placement new之类的东西在该存储中创建您类型的对象。

对于它的价值，这里是基于 gcc 的 __attribute__(__aligned__,... 指令的 aligned_storage 实现的快速测试：

template <std::size_t Len, std::size_t Alignment>
struct aligned_storage 
    typedef struct 
        __attribute__(__aligned__(Alignment)) unsigned char __data[Len];
     type;
;

一个快速测试程序来展示如何使用它：

struct foo 
    int a, b, c;

    void *operator new(size_t, void *in)  return in; 
;

int main() 
    stdx::aligned_storage<sizeof(foo), 8>::type buf;

    foo& f = *new (static_cast<void*>(&buf)) foo();

    int address = *reinterpret_cast<int *>(&f);

    if (address & 0x3 != 0)
        std::cout << "Failed.\n";

    f.~foo();

    return 0;

当然，在实际使用中，您会封装/隐藏我在这里展示的大部分丑陋。如果你这样放着，（理论/未来）可移植性的代价可能过高。

【参考方案5】：

以下是合理可移植的，因为它适用于许多不同的实现，但不是全部：

union foo 
    struct int a, b, c;  data;
    double padding1;
    long long padding2;
;

static char assert_foo_size[sizeof(foo) % 8 == 0 ? 1 : -1];

这将无法编译，除非：

编译器在foo 中添加了一些填充，以使其达到 8 的倍数，这通常只会在对齐要求的情况下发生，或者 foo.data的布局非常奇怪，或者 long long 和 double 之一大于 3 个整数，并且是 8 的倍数。这并不一定意味着它是 8 对齐的。

鉴于您只需要支持 2 个编译器，并且 clang 在设计上与 gcc 相当兼容，因此只需使用有效的 __attribute__。如果您现在想编写可以（希望）在您未测试的编译器上工作的代码，请只考虑做其他事情。

C++11 增加了alignof，可以测试而不是测试大小。它将消除误报，但仍然会给您留下一些一致的实现，在这些实现上，联合无法创建您想要的对齐，因此无法编译。此外，我的 sizeof 技巧非常有限，如果您的结构有 4 个整数而不是只有 3 个整数，它根本没有帮助，而 alignof 的相同之处。我不知道什么版本的gcc和clang支持alignof，所以我一开始没有用它。没想到很难做到。

顺便说一句，如果foo 的实例是动态分配的，那么事情会变得更容易。首先，我怀疑 glibc 或类似的 malloc 实现无论如何都会 8 对齐——如果有一个基本类型具有 8 字节对齐，那么 malloc 必须这样做，我认为 glibc malloc 总是这样做，而不是担心在任何给定平台上是否存在。其次，可以肯定的是posix_memalign。

【讨论】：

+1 非常好（没有任何讨厌的编译器扩展）。甚至可以将 data 结构设为匿名，以获得类似于 OP 的原始结构的行为。

针对已定义的平台/编译器集的良好解决方案。如果真正的可移植性是您的目标，那么序列化数据的二进制兼容性可能不应该是额外的目标。

为什么加倍/长长？？？ uint64_t 可以更安全地使用，此外，可以使用位字段隐藏填充：uint64_t : 0;

我认为你不能在 32 位架构上以这种方式保证 64 位对齐...

@Aconcagua：确实。在没有 8 位对齐 double 或 long long 的 32 位架构上，代码将无法编译。失败通知你需要做一些不可移植的事情。不幸的是，提问者的“最简单、最可靠、最便携”的要求有点像铁三角。

【参考方案6】：

既然你说你正在使用 GCC 并希望支持 Clang，那么 GCC 的 aligned attribute 应该可以解决问题：

struct foo 
    int a, b, c;
 __attribute__((__aligned__(8))); // aligned to 8-byte (64-bit) boundary

【讨论】：

这是不可移植的。但是，什么都不会发生。

@JohnDibling：我知道。它可以移植到有问题的两个编译器。

根据您链接的文档，这不应该是 __attribute__((aligned (8))) 吗？

@D0SBoots：第二段：“您还可以在其关键字前后使用 `__' 指定这些属性中的任何一个。这使您可以在头文件中使用这些属性而无需担心关于可能的同名宏。例如，您可以使用__aligned__ 而不是aligned。"

小心！您的系统中可能存在最大对齐。遗憾的是，它可能是在 linker 中实现的。因此，您不会收到编译时错误，并且可能大型对齐请求可以在更细粒度的边界上静默对齐。这里是龙。