为什么支持数据结构对齐？

Question

结构的每个成员的类型通常都有一个默认的对齐方式，即每个结构成员都在预先确定的边界上对齐。 出于这个原因，填充在以下 wiki 示例中执行：

struct MixedData
{
    char Data1;
    short Data2;
    int Data3;
    char Data4;
};



struct MixedData  /* After compilation in 32-bit x86 machine */
{
    char Data1; /* 1 byte */
    /* 1 byte for the following 'short' to be aligned on a 2 byte boundary 
assuming that the address where structure begins is an even number */
    char Padding1[1];
    short Data2; /* 2 bytes */
    int Data3;  /* 4 bytes - largest structure member */
    char Data4; /* 1 byte */
    char Padding2[3]; /* 3 bytes to make total size of the structure 12 bytes */
};

应该保留对齐的（实际）原因是什么？

Answer 1

在许多体系结构上，从主内存到对齐的读取和写入比未对齐的对应物快得多。

Answer 2

未对齐的读取和写入通常需要 CPU 从内存中获取两个相邻的字（而不是一个），并应用一些额外的按位算术以正确执行指定的操作。

某些体系结构，例如 x86，将以性能成本为代价。 其他体系结构（最著名的是 ARM）将引发异常（通常导致用户进程的SIGBUS信号），或者甚至将地址“四舍五入”到最近的边界，这可能会导致一些非常讨厌的错误。

Answer 3

通常，结构在依赖于处理器的对齐方式上对齐，以便使用处理器的“自然”寄存器大小尽可能快地访问它们。

对于 32 位处理器，它是 4 个字节（或 32 位），对于 64 位处理器，它是 8 个字节。

某些（非 x86）处理器会在您尝试访问（比如）一个 int 时产生错误，如果它没有在正确的边界上对齐。

不同设备之间的通信是保持对齐的实际原因。 在默认对齐情况下，此结构的长度为 24 字节，而在 64 位处理器上，则为 48 字节，并且除第一个之外的所有项目都不会在同一位置。

通常可以使用编译器/pragma 指令更改结构填充，这可能不需要您的示例中指定的手动填充，但这通常因每个编译器而异。