转换不同数据类型时的内存对齐

Question

我很好奇，为什么我的代码在 x86 和 armeabi 平台上有不同的行为。代码的概念（不是真正的代码，但足以理解问题）：

struct data
{
   int x;
}

void method(unsigned char* buff)
{
   data D;

   memcpy(&D.x, buff, sizeof(int)); //good approach
   D.x = *(int*)buff; //bad approach
}

因此，当此代码由 GCC 在 arm 架构下编译时 - 它会导致 SIGFAULT（未对齐的内存）与数据类型的转换一致，尽管 msvc 编译的代码运行正常。据我所知，在这种情况下唯一正确的解决方案是使用 memcpy。有人能解释一下运行时到底发生了什么吗？

Answer 1

这是一个基本的硬件限制。

一些 CPUs 只能执行硬件指令，这些指令只能在适当对齐的地址上访问 2、4（或 8）字节值。也就是说，它们无法从奇数内存地址读取 4 字节值（例如）。该操作生成一个硬件异常，该异常被转换为一个信号。所有对 4 字节值的访问都必须来自被 4 整除的物理地址（例如）。

确切的对齐限制因 CPU 而异。 CPU 就是这样设计的。这是一个理论上的例子。假设在给定的硬件平台上，所有 RAM 都以 32 位字的形式访问。从编程的角度来看，它仍然是 8 位字节，但每个 RAM 字包含四个字节。 CPU 影响单个字节的指令由 CPU 执行，方法是获取包含该字节的整个内存字，执行操作，然后将其存储回去。但是，例如，影响 4 字节整数的操作预计会引用该内存字中第一个字节的逻辑地址。 CPU 获取整个 4 字节字，执行操作，然后将其存储回去。

所以最终结果是 CPU 无法寻址不是从偶数 4 字节边界开始的 4 字节值。从理论上讲，这可以通过获取两个相邻的内存字，执行影响与两个字重叠的 4 字节值的操作，然后将它们存储回 RAM 来实现。当然，这会增加严重的复杂性，有些 CPU 根本就不是为了这样做而设计的。

在您的示例中，指针取消引用转换为直接 CPU 指令，如果实际内存地址为奇数（例如），该指令将失败。 memcpy() 进行逐字节复制，并且有效。

Answer 2

C++11 有 alignof operator which you want to use (because, as , the hardware & instruction set and ABI have alignment restrictions). And it has also the alignas 说明符。

顺便说一句，像您一样使用 memcpy 是可能的，但可能效率低下（因为未对齐的数据移动比对齐的数据移动慢）。即使在可能存在未对齐访问 (à la D.x = *(int*)buff;) 的硬件（尤其是 x86）上，它也是低效的（并且可能慢 10 倍）。

事实上，您希望确保对 method 的每次调用都提供适当对齐的缓冲区。您可以使用 alignas & alignof，使用一些 union 等等...为此。

阅读更多关于 CPU cache. Look also at the answers section of http://norvig.com/21-days.html 的内容（这是一本非常有趣的读物）。

转换不同数据类型时的内存对齐

Memory alignment when casting different data types

c++

casting

memcpy