为什么要内存对齐

CPU访问内存时,并不是逐个字节访问,而是以字长(word size)为单位访问。比如32位的CPU,字长为4字节,那么CPU访问内存的单位也是4字节。

这么设计的目的,是减少CPU访问内存的次数,加大CPU访问内存的吞吐量。比如同样读取8个字节的数据,一次读取4个字节那么只需要读取2次。

下面我们来看看,编写程序时,变量在内存中是否按内存对齐的差异。假设我们有如下结构体:

1
2
3
4
struct Foo {
uint8_t a;
uint32_t b;
}

示意图如下:

内存对齐

我们假设CPU以4字节为单位读取内存。

如果变量在内存中的布局按4字节对齐,那么读取a变量只需要读取一次内存,即word1;读取b变量也只需要读取一次内存,即word2。

而如果变量不做内存对齐,那么读取a变量也只需要读取一次内存,即word1;但是读取b变量时,由于b变量跨越了2个word,所以需要读取两次内存,分别读取word1和word2的值,然后将word1偏移取后3个字节,word2偏移取前1个字节,最后将它们做或操作,拼接得到b变量的值。

显然,内存对齐在某些情况下可以减少读取内存的次数以及一些运算,性能更高。

另外,由于内存对齐保证了读取b变量是单次操作,在多核环境下,原子性更容易保证。

但是内存对齐提升性能的同时,也需要付出相应的代价。由于变量与变量之间增加了填充,并没有存储真实有效的数据,所以占用的内存会更大。这也是一个典型的空间换时间的应用场景。

好,本篇文章就到这里,后面会再写一篇文章介绍编写c程序时,如何开关内存对齐,以及控制内存按多少字节对齐。

参考资料:

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