c++ - 防止堆上的未对齐数据

Question

我正在构建一个使用 SSE 内部函数的类层次结构，因此该类的一些成员需要 16 字节对齐。对于堆栈实例，我可以使用 __declspec(align(#))，如下所示:

typedef __declspec(align(16)) float Vector[4];
class MyClass{
...
private:
Vector v;
};

现在，由于 __declspec(align(#)) 是一个编译指令，以下代码可能会导致堆上的 Vector 实例未对齐:

MyClass *myclass = new MyClass;

这也是，我知道我可以通过重载 new 和 delete 运算符以使用 _aligned_malloc 和 _aligned_free 相应。像这样:

//inside MyClass:
public:
void* operator new (size_t size) throw (std::bad_alloc){
    void * p = _aligned_malloc(size, 16);
    if (p == 0)  throw std::bad_alloc()
    return p; 
}

void operator delete (void *p){
    MyClass* pc = static_cast<MyClass*>(p); 
    _aligned_free(p);
}
...

到目前为止一切顺利..但这是我的问题。考虑以下代码:

class NotMyClass{ //Not my code, which I have little or no influence over
...
MyClass myclass;
...
};
int main(){
    ...
    NotMyClass *nmc = new NotMyClass;
    ...
}

由于 MyClass 的 myclass 实例是在 NotMyClass 的动态实例上静态创建的，由于 Vector 的 __declspec(align(16)，myclass 将相对于 nmc 的开头进行 16 字节对齐)) 指令。但这是毫无值(value)的，因为 nmc 是使用 NotMyClass 的 new 运算符在堆上动态分配的，这不一定确保(而且绝对可能不会)16 字节对齐。

到目前为止，我只能想到两种方法来处理这个问题:

1. 防止 MyClass 用户能够编译以下代码:

   MyClass myclass;
   

   意思是，MyClass 的实例只能使用 new 运算符动态创建，从而确保 MyClass 的所有实例都真正动态分配了 MyClass 的重载 new。我在另一个线程上咨询了如何实现这一点，并得到了一些很好的答案: C++, preventing class instance from being created on the stack (during compiltaion)

2. 不再在我的类中使用 Vector 成员，只将指向 Vector 的指针作为成员，我将在 ctor 中使用 _aligned_malloc 和 _aligned_free 分配和解除分配和dtor分别。这种方法看起来粗糙且容易出错，因为我不是唯一编写这些类的程序员(MyClass 派生自基类，其中许多类使用 SSE)。

但是，由于我的团队不赞成这两种解决方案，因此我向您寻求不同解决方案的建议。

Answer 1

如果您反对堆分配，另一个想法是在堆栈上过度分配并手动对齐(手动对齐在 this SO post 中讨论)。这个想法是分配字节数据(unsigned char)，其大小保证包含必要大小(+15)的对齐区域，然后通过舍入找到对齐位置从移动最多的区域向下(x+15 - (x+15) % 16，或 x+15 & ~0x0F)。我在 codepad 上发布了一个使用 vector 运算的这种方法的工作示例(对于 g++ -O2 -msse2)。以下是重要的部分:

class MyClass{
   ...
   unsigned char dPtr[sizeof(float)*4+15]; //over-allocated data
   float* vPtr;                            //float ptr to be aligned

   public:
      MyClass(void) : 
         vPtr( reinterpret_cast<float*>( 
            (reinterpret_cast<uintptr_t>(dPtr)+15) & ~ 0x0F
         ) ) 
      {}
   ...
};
...

构造函数确保 vPtr 对齐(注意类声明中成员的顺序很重要)。

这种方法有效(包含类的堆/堆栈分配与对齐无关)，是可移植的(我认为大多数编译器提供一个指针大小的 uint uintptr_t)，并且不会泄漏内存。但它不是特别安全(确保在拷贝下保持对齐的指针有效等)，浪费(几乎)与其使用的内存一样多，有些人可能会觉得 reinterpret_casts 令人反感。

通过将此逻辑封装在 Vector 对象中，可以大部分消除对齐操作/未对齐数据问题的风险，从而控制对对齐指针的访问并确保它在构造时对齐并保持有效。