c++ - 对齐究竟如何影响内存布局和新布局的行为？

Question

我们阅读了很多关于对齐及其重要性的文章，例如放置 new 用法，但我想知道 - 它如何准确地改变内存布局？

显然，如果我们这样做

char buffer[10];
std::cout << sizeof buffer;

和

alignas(int) char buffer[10];
std::cout << sizeof buffer;

我们得到相同的结果，即 10。

但是行为不可能完全一样，对吗？怎么区分呢？我试图寻找答案并跑到 godbolt，测试以下代码:

#include <memory>

int main() {
    alignas(int) char buffer[10];
    new (buffer) int;
}

在 GCC 8.2 下并且没有优化，导致以下汇编:

operator new(unsigned long, void*):
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     QWORD PTR [rbp-8], rdi
    mov     QWORD PTR [rbp-16], rsi
    mov     rax, QWORD PTR [rbp-16]
    pop     rbp
    ret
main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16
    lea     rax, [rbp-12]
    mov     rsi, rax
    mov     edi, 4
    call    operator new(unsigned long, void*)
    mov     eax, 0
    leave
    ret

让我们通过删除 alignas(int) 部分来稍微更改代码。现在，生成的程序集略有不同:

operator new(unsigned long, void*):
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     QWORD PTR [rbp-8], rdi
    mov     QWORD PTR [rbp-16], rsi
    mov     rax, QWORD PTR [rbp-16]
    pop     rbp
    ret
main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16
    lea     rax, [rbp-10]
    mov     rsi, rax
    mov     edi, 4
    call    operator new(unsigned long, void*)
    mov     eax, 0
    leave
    ret

值得注意的是，它仅在 lea 指令上有所不同，其中第二个参数是 [rbp-10] 而不是 [rbp-12] ，正如我们在 alignas(int) 版本中所做的那样。

请注意，我通常不懂汇编。我不会写汇编，但我能读懂它。据我了解，差异只是改变了内存地址的偏移量，这将保存我们的位置-newed int。

但是它实现了什么？为什么我们需要那个？假设我们有一个 buffer 数组的“通用”表示，如下所示:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

现在，我假设，在放置 newint(有或没有对齐)之后，我们最终会像这样:

[x] [x] [x] [x] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

其中 x 表示 int 的单个字节(我们假设 sizeof(int) == 4)。

但我一定遗漏了什么。还有更多，我不知道是什么。通过将 buffer 对齐到 int 合适的对齐方式，我们究竟实现了什么？如果我们不这样对齐会怎样？

Answer 1

在某些架构上，类型必须对齐才能使操作正常进行。例如，int 的地址可能需要是 4 的倍数。如果它不是这样对齐的，那么对内存中的整数进行操作的 CPU 指令将无法工作。

即使当数据没有很好地对齐时一切工作，对齐对于性能仍然很重要，因为它确保整数等不会跨越缓存边界。

当您将 char 缓冲区与整数边界对齐时，它不会影响 placement new 的工作方式。它只是确保您可以使用 placement new 将 int 放在缓冲区的开头，而不会违反任何对齐约束。它通过确保缓冲区的地址是 4 字节的倍数来实现这一点。