如何对齐堆栈上的缓冲区？答案

【问题标题】：How can I align a buffer on the stack?如何对齐堆栈上的缓冲区？
【发布时间】：2012-12-01 21:26:59
【问题描述】：

我正在尝试实现一个与其大小对齐的内存缓冲区，这样我就可以使用 DMA 控制器的模功能来实现一个环形缓冲区。我知道我可以用 memalign 做到这一点，但我想知道它是否可以在堆栈上这样做，因为到目前为止我已经能够避免动态内存。我使用的是 GCC 4.4.1，我不关心可移植性（嵌入式系统）。

我想做这样的事情：

template<uint16_t num_channels, uint16_t buffer_size>
class sampler {
    __attribute__((aligned(buffer_size * num_channels * 2)))
    uint16_t buffer[buffer_size][num_channels];
};

但当然 GCC 不会接受非常量对齐（并且似乎表明对齐 > 8 可能无论如何都不会被尊重）。

我想我可以使用 C++0x alignas() 来实现这一点，但它似乎直到 4.8 版才出现在 GCC 中。

我想一个选项可能是将缓冲区的大小加倍，但这似乎会浪费大量空间（我计划尝试将大部分设备内存用于此缓冲区）。也许我应该放弃并使用动态内存。 memalign 在空间浪费方面会相对有效吗？

有什么想法吗？

【问题讨论】：

为什么需要这么奇怪的对齐方式（缓冲区的大小）？需要的典型对齐方式是针对某些基本类型 (int,__m128)、页面（通常为 4KB）或页面分配粒度（在 Windows 上通常为 64KB，不知道您的控制器如何或是否这样做）。
可能是因为它简化了 DMA 操作的包装逻辑。当您的内存也将被作为 DMA 控制器的简单硬件状态机访问时，额外的约束就会发挥作用。
您是否考虑过将缓冲区放在自己的翻译单元中，然后使用链接器指令强制对齐或该单元的起始地址？如果你想要它在堆栈上，我认为你需要分配两倍的缓冲区大小。 memalign() 将使用对齐浪费的空间来满足其他内存分配请求。
这是在没有 MMU 的 ARM Cortex M4（实际上是 teensy 3）上。
@brianbeuning 回复：“链接器指令”我想我必须在 .ld 文件中选择一个缓冲区大小？如果没有，您能进一步描述吗？我的长期目标之一是制作一个可供其他人使用的 Arduino 库，因此该模板非常有吸引力，因为用户可以轻松地在自己的项目中指定大小。

标签： c++ gcc embedded

【解决方案1】：

您不需要将存储空间的大小增加一倍，您只需在其中添加(alignment - 1) —— 基本上与memalign 在幕后所做的相同。对于两个对齐的幂：

char buf[size + (alignment -1)];
char *aligned = (char*)((intptr_t)buf + (alignment - 1) & ~intptr_t(alignment - 1));

【讨论】：

这也是我的想法，但是我认为在这种情况下对齐大小与缓冲区大小相同，因此这种方法需要小于两倍的缓冲区大小。
@Chris 在这种情况下，您并没有真正浪费太多内存。而且您确实无能为力，sp 将在您调用它时具有特定值，最坏的情况意味着将alignment - 1 添加到当前值并基本上浪费它。您可以计算出动态对齐需要浪费多少，然后在堆栈上动态分配数组，仅此而已。
@Voo 你的意思是说“在堆上动态分配数组”吗？如果没有，你能详细说明吗？我基本上确实希望编译器“计算要浪费多少空间”（或者巧妙地放置以最大程度地减少浪费）。
@Christopher 不，我的意思是堆栈。堆栈上的可变长度数组是 C99 标准的一部分，但不是 C++11 的一部分。但是大多数编译器也通过自己的扩展支持它们，g++ 肯定支持（在这种情况下，VLA 不会比固定大小的数组已经产生更多问题）。在某些情况下会为您节省一些内存，但在最坏的情况下，您将不得不浪费alignment - 1 内存，这无法解决。
@Voo 哦，我明白你的意思了；我想我已经通过模板这样做了。所以基本上你建议将缓冲区的大小加倍并计算对齐。

【解决方案2】：

我已经很久没有使用链接器命令文件了，但我认为它会是这样的。

用

创建文件buffer.cpp

char buffer[ BUFFER_SIZE ];

对象文件具有名为 .bss（用于未初始化数据）、.data（用于初始化数据）和 .text（用于可执行代码）的部分。 buffer[] 将进入 .bss，因为它没有被初始化。

所以像这样的（gnu）链接器文件应该可以解决问题

SECTIONS {
   .bss 0x0  : {
        buffer.o(.bss)
        *(.bss)
    }
   .data : {
        *(.data)
    }
   .text : {
        *(.text)
    }
}

0x0 告诉链接器在地址 0x0 加载缓冲区[]。

【讨论】：

【解决方案3】：

您能否创建一个大于buffer_size 的缓冲区，然后计算其中的偏移量以从哪里开始？

【讨论】：

【解决方案4】：

如果您的嵌入式系统具有内存管理单元，则无需担心明智地使用动态内存，尤其是在每次运行只分配一次的情况下。

如果它没有 MMU，您可以考虑使用链接器映射文件分配一个固定位置。

在具有实际操作系统的系统上，与 DMA 兼容的缓冲区可能必须由内核专门分配。

【讨论】：