c++ - 我需要在 C++ 中对齐吗？

Question

我确定我知道。由于对齐，矩阵库 Eigen3 可能比我自己的任何矩阵实现都快得多。

我最近开始研究使用 C++ 进行对齐。我偶然发现了 alignas 和 alignof 函数，并决定进行一些测试。

我的第一个发现是结构的成员会自动对齐。我们以下面的结构为例:

struct MyStruct
{
    char m_c; // 1 byte
    double m_x; // 8 bytes
};

并与这个比较:

struct MyAlignedStruct
{
    char m_c; // 1 byte
    alignas(8) double m_x; // 8 bytes
};

我使用 alignas 而不是添加填充成员 (char[7]) 的地方，根据我的理解，这是等效的。

现在，两个结构的内存查看器显示如下:

62 00 00 00 8e a8 79 35 00 00 00 00 00 00 10 40 // MyStruct
62 ff ff ff 24 00 00 00 00 00 00 00 00 00 10 40 // MyAlignedStruct

第一个字节对应一个字符('b')。使用 Mystruct 时，接下来的 7 个字节用 something 填充，最后 8 个字节表示 double。使用 MyAlignedStruct 时，会发生非常相似的情况。 sizeof() 函数为两个结构返回 16 个字节(我预计 MyStruct 为 9 个字节)。

所以我的第一个问题来了:如果编译器自行对齐，为什么我需要 alignas？

我的第二个发现 是 alignas(..) 不会加速我的程序。我的实验如下。想象一下以下简单结构:

struct Point
{
    double m_x, m_y, m_z;
};

如果我用该结构的实例填充一个 vector ，并假设第一个实例是 32 字节对齐的，则每个结构将占用 24 个字节，并且字节序列将不再是 32 字节对齐的。老实说，我不确定如何通过对齐来提高速度，否则，我很可能不会在这里写。不过，我使用 alignas 获得了以下结构:

alignas(32) struct Point
{
    double m_x, m_y, m_z;
};

现在，Point 的连续实例将从 32 字节的倍数开始。我测试了两个版本:在用结构实例填充一个巨大的 vector 后，我将所有 double 值相加并记录时间。我发现 32 字节对齐的结构与另一个结构之间没有区别。

所以我的第二个问题与第一个问题相同:为什么我需要 alignas？

Answer 1

Why do I need alignas if the compiler aligns on its own?

我想到的几个原因:

1. 编译器可能被配置为打包结构，如下所述:

   Force C++ structure to pack tightly

   但是您希望某些特定的结构具有对齐的成员

2. 您想要超出类型要求的对齐方式，例如

   alignas(1024) struct MyStruct
   {
       char m_c; // 1 byte
       alignas(32) double m_x; // 8 bytes
   };
   

   这可能是由于硬件限制，例如你有一张卡片，可以以 1024 页的分辨率从内存中抓取东西；然后，在那张卡上，数据访问以 32 字节为单位进行。该示例将满足这些要求，而不必插入虚拟字段。

3. 类型双关/切片:您可能会得到一个数组的地址:

   struct s1
   {
       char m_c;
       uint32_t m_d;
       char m_e;
   };
   

   但实际上我用的是

   struct s2
   {
       char m_c;
       mystery_type_with_size_64_bits m_d;
       char m_e;
   };
   

   因此，即使您想将 m_d 作为 uint32_t 使用，但您还需要正确设置 m_e。