关于数据对齐和填充的另一个混淆

Posted 2023-02-17

【中文标题】关于数据对齐和填充的另一个混淆

【英文标题】：Yet another confusion about data alignment and padding

【发布时间】：2018-07-28 14:27:55

【问题描述】：

我一直在阅读有关数据对齐和结构填充的内容。我从here 开始，为了表达我的理解，我可以说T 类型的元素或数据e 是自然对齐的，如果它的地址a是它的数据大小的倍数[sizeof T],

让我们考虑

struct test
 short a;
 char b;
;

constexpr auto size = sizeof test 是 4，因为 struct test 的最大对齐方式（short）

然后我去了here，第一个答案很好地解释了数据对齐，作者使用了这个例子

data1: "ab"
data2: "cdef"

|a b c d|     |e f 0 0|

鉴于内存访问粒度为 4 字节，我将在这里假设 data1 是 2 字节，data2 是 4 byte，因为 data2 开始于一个奇数地址或者它的地址不是4 byte的倍数，这被认为是未对齐的数据，因此访问data2会根据架构产生不同的效果。

这是通过添加 junkies（或纯 0）使 data2 自然对齐的填充，最后我们有

|a b 0 0| |c d e f|

到目前为止很好，现在让我们将两个数据包装到一个结构中

struct wrap
    data1: "ab"
    data2: "cdef"
;

现在考虑到最大对齐，wrap 大小将变为 8，并带有两个字节的填充。

我在这里，在struct wrap 的情况下，无论是填充还是不填充，处理器实际上都需要两个周期（假设 WORD 大小为 4 字节）来获取 wrap 对象，对吗？ 那么为什么我们需要填充呢？

没有填充：

|a b c d| |e f 0 0|

假设处理器获取了 8 个字节 wrap object，data1 是两个字节，因此它可以容纳“ab”，剩余的将被截断（就像填充位将被截断一样） 而data2 可以从它的地址读取连续的 4 个字节（读取“cdef”），其余的被截断了，那么为什么我们需要在这里填充或者我弄错了？

第二个问题和上面差不多

struct test2
    short a; //2 byte
    char _3,_4,_5,_6,_7,_8,_9,_10,_11 ;
;

而sizeof test2 将给出 12，假设现在内存访问粒度（更改 WORD = 8）是 8 字节，那么 test2 的对象将占用两个 WORD，无论是否有填充，它都会占用两个 WORD，因此无论test2 的对齐方式如何，都需要两个周期来获取其对象，如果是这种情况，为什么填充在这里很重要？为什么是 12，而不是 11，虽然两者都需要在 8 字节边界内有两个周期？

最后一个问题，

struct final
  char a;
  int b;
;

假设 struct final 已打包（无对齐），而 var test::b 将被放置在奇数地址

内存（只是一种理论表示）

0          1          2          3          4          5          6         7
tets::a:1  test::b:1  test::b:2  test::b:3  test::b:4

test::b:x这里不是位字段的意思

我了解到，只要我通过 ` 使用对象访问 test::b。或 ->' 会很好，但是当我获取它的地址时

int * p = &(test::b) ; (void)*p; 此语句将影响性能或崩溃。

同样，如果 WORD = 8 字节，那么 struct final 的对象将在一个周期内进入内存，假设指针 p 持有地址 1，这很奇怪，但不能只是尊重的*p 将从地址1 开始直到指向元素类型（4 字节）的位复制到内存中？为什么这里有问题？我错过了什么？

【参考方案1】：

数据错位的问题与整个结构的加载/存储无关。它显示为可以访问各个字段。

当一个字段未对齐时，它需要两次读/写加上字节重新排列，而不是一次。填充结构更大，我们不介意。

【讨论】：

在我上面展示的一个实例中，struct final 可以适应 WORD 边界（给定 WORD=8），并假设我使用指针 p 访问它的单个元素 int b地址1，所以在这里，只从给定地址读取 4 个字节有什么问题？为什么会发生碰撞/崩溃？

@Explorer_N：如果机器即使对于未对齐的 int 也执行 8 个字节的提取，无论如何它都需要在内部重新对齐该字段。如果它使用 4 字节对齐的提取，则需要其中两个。

对不起，当我@ 提到这个名字没有出现。 “在内部重新对齐字段”我有点卡在这里，我们已经获取了 8 个字节，并且指针 p 知道在 8 字节边界内从哪里开始读取，它也知道它可以读取多少字节，所以当我们说temp=*p为什么不能像（示例）memcpy(&tmp,p,sizeof(int))那样进行按位复制，为什么需要重新调整？或者它只是一个规则，int 元素的地址应该是 4 的倍数？

@Explorer_N：内存总线可能被设计成无法执行未对齐的读取。