原子变量的对齐

Question

当然，为了让典型的现代处理器架构（如 x86_64）执行原子加载或存储，要读取/写入的数据需要对齐。

但是这个要求是如何通过 C++11 <atomic> 变量实际实现/强制执行的呢？

假设我有一个支持 16 字节比较和交换（双字 CAS）的架构，因此它可以原子地读取/写入 16 字节值，并且我定义了一个 16 字节类型：

struct double_word
{
    std::uint64_t x;
    std::uint64_t y;
};

现在，假设我包含一个 std::atomic<double_word> 作为类的成员字段：

class foo
{
    public:

    std::atomic<double_word> dword;
};

我怎么知道foo::dword 实际上是在 16 字节边界上对齐的？我怎么知道对dword.load() 的调用实际上是 原子的？

实际上，我最初开始问这个问题是因为当我在foo::dword 之前添加另一个数据成员时发生了一件奇怪的事情。我将foo 定义为：

class foo
{
    public:

    std::uint64_t x;
    std::atomic<double_word> dword; 
};

当我在foo::dword 上实际执行原子加载，并在运行 Debian Linux 的 x86_64 机器上使用 GCC 4.7.2 编译和运行时，它实际上给了我一个分段错误！

完整程序：

#include <atomic>
#include <cstdint>

    struct double_word
    {
        std::uint64_t x;
        std::uint64_t y;
    };

    class foo
    {
        public:

        std::uint64_t x;
        std::atomic<double_word> dword; // <-- not aligned on 16-byte boundary
    };

    int main()
    {
        foo f;
        double_word d = f.dword.load(); // <-- segfaults with GCC 4.7.2 !!
    }

这实际上是f.dword.load() 上的段错误。起初我不明白为什么，但后来我意识到dword 没有在 16 字节边界上对齐。因此，这会导致很多问题，例如：如果原子变量未对齐并且我们尝试以原子方式加载它，编译器应该怎么做？它是未定义的行为吗？为什么程序只是出现段错误？

其次，C++11 标准对此有何评论？编译器是否应该确保 double_word 在 16 字节边界上自动对齐？如果是这样，这是否意味着 GCC 在这里只是有问题？如果不是 - 似乎由用户来确保对齐，在这种情况下任何时间我们使用大于一个字节的std::atomic<T>，似乎我们会有 使用 std::aligned_storage 确保它正确对齐，这 (A) 看起来很麻烦，(B) 是我在实践或任何示例/教程中从未真正看到过的。

那么，使用 C++11 <atomic> 的程序员应该如何处理这样的对齐问题？

Answer 1

这是一个 GCC 错误https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=65147 只需添加alignas(16) 即可解决问题。

#include <atomic>
#include <cstdint>

struct double_word
{
    std::uint64_t x;
    std::uint64_t y;
};

class foo
{
    public:

    std::uint64_t x;
    alignas(16) std::atomic<double_word> dword; // <-- not aligned on 16-byte boundary
};

int main()
{
    foo f;
    double_word d = f.dword.load(); // <-- segfaults with GCC 4.7.2 !!
}

Answer 2

我认为确保 dword 是 16 字节对齐是程序员的责任。在 64 位平台上，除非您明确指定，否则数据以 64 位边界对齐。