为什么某些类型（例如 Float80）的内存对齐大于字长？答案

【问题标题】：Why do some types (e.g. Float80) have a memory alignment bigger than word size?为什么某些类型（例如 Float80）的内存对齐大于字长？
【发布时间】：2015-03-06 11:56:39
【问题描述】：

具体来说，我只想知道为什么在我的 64 位 mac 上，Swift 编译器会说某些类型的对齐方式，如 Float80 是 16。 为了检查一个类型的内存对齐要求，我使用了alignof 函数。

sizeof(Float80) // ~> 16 bytes, it only needs 10 bytes, but because of hardware design decisions it has to be a power of 2
strideof(Float80) // ~> 16 bytes, clear because it is exact on a power of 2, struct types with Float80 in it, can be bigger
alignof(Float80) // ~> 16 bytes, why not 8 bytes, like String ?

我了解小于或等于单词大小的类型的内存对齐是有益的。

sizeof(String) // ~> 24 bytes, clear because 24 is multiple of 8
strideof(String) // ~> 24 bytes, clear because 24 is multiple of 8
alignof(String) // ~> 8 bytes, clear because something greater or equal to 8 bytes should align to 8 bytes

许多内存占用较大的类型，如String（大小为 24）确实有 8 个字节的内存对齐要求。我希望这是我正在使用的 CPU/RAM 总线的大小，因为我有一个 64 位的 mac 和操作系统。我使用sizeof 函数检查没有最后填充的类型的大小，并使用strideof 函数在末尾添加填充（strideof 在结构数组中更有帮助，Swift 然后将字节添加到end 以达到对齐要求的下一个倍数。）

我了解小于或等于 8 字节大小的类型需要填充。

但我不明白为什么在我的 64 位 mac 上内存对齐要求大于 8 字节是有利的。

Float80 的值需要 80 位，即 10 个字节，其中 6 个填充字节。

我的意思是，为了更清楚，这是一张图片。 Float80 允许绿色位置，红色位置不允许。 在这张图中，内存是 8 个字节的块。

【问题讨论】：

您的图片似乎具有误导性。如果一行代表 8 个字节，则 Float80（包括填充）只能占用两行，而不是 16 行。如果一行代表 1 个字节，则第 3 列中的 Float80 不在对齐地址上。
@MartinR 你说的很对，换了图片
24 是 2 的精确幂？？
@SlippD.Thompson 你是对的，那是一个错误。感谢您的提示。我纠正了它。 8 是字长，24 是 8 的倍数。

标签： swift memory-alignment

【解决方案1】：

所有“原始数据类型”（该术语可能是错误的，我的意思是处理器使用的数据类型）具有“自然边界”，并且编译器将相应地在内存中对齐它们。对齐方式取决于处理器（例如 x86 或 ARM）和编程环境（例如 32 位与 64 位）。一些处理器允许未对齐的数据（可能以较低的速度），有些人不允许这样做。

对于 64 位 Intel 架构，要求列于 Data Alignment when Migrating to 64-Bit Intel® Architecture:

然而，64 位环境对数据项提出了更严格的要求。未对齐的对象会导致程序异常。
[...]

在任意地址对齐 8 位数据

对齐 16 位数据以包含在对齐的四字节字中

对齐 32 位数据，使其基地址为 4 的倍数

对齐 64 位数据，使其基地址为 8 的倍数

对齐 80 位数据，使其基地址为 16 的倍数

对齐 128 位数据，使其基地址为 16 的倍数

所以对齐不一定等于“字长”，可以更少或更多。 Float80 对应于“扩展精度” x86 处理器的浮点类型，其对齐方式为要求为 16 个字节。

像 C struct 这样的复合类型在内存中布局，使得每个 member 都在其自然边界上（并且插入了填充如有必要，介于两者之间）。结构对齐本身就是每个成员的最大对齐。

Swift Struct 的内存布局没有正式记录（据我所知），但它可能类似于 C struct。这是一个简单的例子：

struct AStruct {
    var a = Int32(0)
    var b = Int8(0)
    var c = Int16(0)
    var d = Int8(0)
}
println(sizeof(AStruct))     // 9
println(alignof(AStruct))    // 4
println(strideof(AStruct))   // 12

内存布局（可能）是（* = padding）：

aaaab*ccd

这里的对齐方式是 4，因为这是 Int32 所需的对齐方式。该结构占用 9 个字节，但“步幅”为 12：这保证了结构数组中的所有元素都满足相同的对齐方式。

（注意Swift的strideOf()对应于C的sizeof()函数，这在https://devforums.apple.com/message/1086107#1086107中有解释。）

Swift 字符串的声明显示为

struct String {
    init()
}

但实际的成员对我们这些凡人来说是不可见的。在调试器中它看起来像这样：

表示它的成员是一个指针，一个无符号字和另一个指针。所有这些类型都有大小和在 64 位上对齐 8 个字节。这将解释大小（24 字节）和struct Swift的对齐（8字节）。

【讨论】：

你没有回答我的问题。我知道所需的对齐方式，问题是为什么在 64 位机器上我需要大于 8 字节的对齐方式。我没有看到优势。具体为什么 Float80（10+6 字节大小）有 16 字节而不是 8 字节的对齐要求？一个字符串（24 个字节）需要 8 个字节。当 Float80 跟随时，大小为 1 字节的 Bool 将为结构添加 15 字节的大小，为什么 7 字节不够。由于阅读时的性能，最小是字长（示例在维基百科等），但永远不会大于字长。
@ViktorLexington：那我误解了你的问题。我想简短的回答是“因为英特尔是这样设计的”。如果您的问题是关于处理器设计的，那么我无能为力。 – 请注意，String 是 Struct，因此不同于“原始”类型。
然后将字符串作为具有 Chars 和 Ints 的结构，每个人都有 8 个字节的对齐，那么 String 结构也具有 8 的对齐是有道理的。很高兴知道。
@ViktorLexington：我添加了一些关于字符串类型的信息。
感谢您提示我正确的方向，找到了答案 :-)

【解决方案2】：

借助 Martin R 的链接并暗示这是处理器设计决策。我找到了原因。

缓存行。

缓存线对于处理器来说是一个非常小的内存，在我的 Intel Mac 64 位上它是 128 位（16 字节）。

从问题的图片中可以看出，我知道虚线和粗线之间存在差异。粗线位于处理器的高速缓存行之间。如果您可以用更多的内存成本做得更好，您不想加载 2 个缓存行。因此，如果处理器只允许，则大小为 8 字节（或更大）的类型在高速缓存行的开头对齐（每 16 的倍数）。对于与高速缓存行一样大的类型（在我的情况下是字长的两倍，16 字节），将不会读取两次高速缓存行。正如您在图片中看到的，只有红色块穿过粗线（因此每个设计都不允许使用它们）。

有关详细信息，请参阅随附的链接。

Cache effects

【讨论】：