栈上数据的对齐方式是什么？

Question

我读了 K&R C(2nd) 185p，其中一部分很难理解。

虽然机器各不相同，但对于每台机器来说，都有一个最严格的类型：如果最严格的类型可以存储在特定地址，那么所有其他类型也可能是。在某些机器上，限制最大的类型是 double；对于其他人，int 或 long 就足够了。

我认为
大多数现代计算机都是字节可寻址的（通过 wiki）。最小的数据类型 char 足以容纳任何堆栈区域。因此，所有数据类型都足以满足任意堆栈位置。但是为什么会有这样的限制呢？

在this类似的问题中，

CPU 通常要求（或者如果）将某些类型的数据存储在某个（2 的幂）值的倍数的地址中，则可以更有效地工作。

这解释了我的问题。但我无法理解。这是否意味着堆栈中某些 2 的幂（2、4、8、16、...、1024、2048、...）的地址需要某些类型？
如果是这样，为什么？或者如果我错了，它指的是什么？

Answer 1

对齐数据有两个原因：

• 硬件要求。有些机器只有在正确对齐的情况下才能访问内存中的数据。当然，您可以执行多次读取并使用一些位算术来模拟从任何地址读取，但这会对性能造成破坏性影响。
• 性能。即使机器可以访问任何地址的任何数据，如果数据适当对齐，它可能会表现得更好。

当然，这可能因机器而异，但“适当对齐”通常意味着 N 位数据的地址可以被 N/8 整除。

因此，在对齐很重要的机器上，32 位 int 将被放置在可被 4 整除的内存地址，64 位指针将被放置在可被 8 整除的内存地址，等等。

您可以在结构中看到这一点。

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

typedef struct {
   uint32_t u32;
   void*    p;
   uint8_t  u8;
} Struct;

int main(void) {
   Struct s;
   printf("%p\n", (void*)&s.u32);
   printf("%p\n", (void*)&s.p);
   printf("%p\n", (void*)&s.u8);
   printf("%p\n", (void*)(&s+1));
   printf("0x%zx\n", sizeof(s));
}

$ gcc -Wall -Wextra -pedantic a.c -o a && ./a
0x7ffef5f775d0
0x7ffef5f775d8
0x7ffef5f775e0
0x7ffef5f775e8
0x18

这意味着我们有这个：

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 0 1 2 3 4 5 6 7
+-------+-------+---------------+-+-------------+ 
| u32   |XXXXXXX| p             |*|XXXXXXXXXXXXX|   * = u8 
+-------+-------+---------------+-+-------------+   X = unused

注意u32 和p 之间浪费的空间。这是p 正确对齐的原因。

还要注意u8 之后浪费的空间。这样当您拥有它们的数组时，结构本身就可以正确对齐。如果没有这个最后的填充，数组第二个元素的u32 和p 将无法正确对齐。

最后，注意使用

typedef struct {
   uint32_t u32;
   uint8_t  u8;
   void*    p;
} Struct;

会导致结构更小。

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 
+-------+-+-----+---------------+
| u32   |*|XXXXX| p             |   * = u8 
+-------+-+-----+---------------+   X = unused