c++ - 加载到缓存时数据对齐

Question

假设 4 字节自然对齐。

struct Node
{
int data;
char c_data;
};
int main() {
int global = 10;
struct Node N;
for ( register int i = 0; i < 10; i++)
cout << global << N.data << endl; }

如果缓存行大小为 16 字节，并且我的程序正在循环中访问这两个变量，这些变量将如何出现在缓存中？假设其他一切都是寄存器变量。

在同一个缓存行上？

在不同的缓存行上？

如果相同的缓存行，每个成员是否会从缓存中的 4 字节对齐地址开始？就像全局变量将从 [0,3] 开始，N 将从 [4,7] 开始......类似的东西？或者，如果结构只有一个字符，它甚至可以从缓存行中的 [5] 开始。

基本上，在缓存中加载数据时，是否根据结构的大小或其第一个成员考虑对齐？

Answer 1

如何使用缓存主要取决于代码，这是您在问题中提到但没有发布的理论循环。循环之前使用的其他变量可能优先，具体取决于分配的变量。即使给出了特定系统的详细源代码，也很难准确判断会发生什么。

在内存中相邻分配的变量是缓存友好的。基本上应该有一大块相邻分配的变量可以从 RAM 传输到缓存，以便缓存高效。如果变量位于完全不同的段中，则会出现“缓存未命中”:也就是说，必须从缓存中丢弃某些内容，而必须从 RAM 中读取其他内容。

例如，如果您有一大块本地堆栈分配的变量，那么将它们全部存储在缓存中可能会有好处。

在您的情况下，global 分配在内存的 .data 部分，N 分配在 .bss 部分，因此它们根本不相邻，因此不会加载到同一缓存行中。这意味着在您的情况下，整个缓存讨论甚至不适用。

如果您改为编写 struct Node N = {1};，那么可以合理地假设，如果在代码中的同一位置使用这些变量，最终将像这样分配在 .data 中(我正在疯狂猜测):

4 bytes - global
4 bytes - N.data
4 bytes - N.c_data

调整对齐方式以适应 CPU。缓存将仅镜像 RAM，没有任何内容“移动以适应对齐”——当变量在 RAM 中分配时，对齐就已经被处理了。

这整个 block 可能会作为一个整体读入缓存。