Процессоры работают эффективнее, когда имеют дело с правильно выровненными данными. А некоторые процессоры вообще не умеют работать с не выровненными данными.

1. Урок 21. Паттерн 13. Выравнивание
данных
Процессоры работают эффективнее, когда имеют дело с правильно выровненными данными. А
некоторые процессоры вообще не умеют работать с не выровненными данными. Попытка
работать с не выровненными данными на процессорах IA-64 (Itanium), как показано в следующем
примере, приведет к возникновению исключения:
#pragma pack (1) // Also set by key /Zp in MSVC
struct AlignSample {
unsigned size;
void *pointer;
} object;
void foo(void *p) {
object.pointer = p; // Alignment fault
}
Если вы вынуждены работать с не выровненными данными на Itanium, то следует явно указать это
компилятору. Например, воспользоваться специальным макросом UNALIGNED:
#pragma pack (1) // Also set by key /Zp in MSVC
struct AlignSample {
unsigned size;
void *pointer;
} object;
void foo(void *p) {
*(UNALIGNED void *)&object.pointer = p; //Very slow
}
В этом случае компилятор сгенерирует специальный код, который будет работать с не
выровненными данными. Такое решение неэффективно, так как доступ к данным будет
происходить в несколько раз медленнее. Если целью является уменьшение размера структуры, то
лучшего результата можно достичь, располагая данные в порядке уменьшения их размера.
Подробнее об этом будет рассказано в одном из следующих уроков.
На архитектуре x64 при обращении к не выровненным данным исключения не возникает, но их
также следует избегать. Во-первых, из-за существенного замедления скорости доступа к таким
данным, а во-вторых, из-за возможности переноса программы в будущем на платформу IA-64.

2. Рассмотрим еще один пример кода, не учитывающий выравнивание данных:
struct MyPointersArray {
DWORD m_n;
PVOID m_arr[1];
} object;
...
malloc( sizeof(DWORD) + 5 * sizeof(PVOID) );
...
Если мы хотим выделить объем памяти, необходимый для хранения объекта типа
MyPointersArray, содержащего 5 указателей, то мы должны учесть, что начало массива m_arr
будет выровнено по границе 8 байт. Расположение данных в памяти на разных системах
(Win32/Win64) показано на рисунке 1.
Рисунок 1- Выравнивание данных в памяти на системах Win32 и Win64
Корректный расчет размера должен выглядеть следующим образом:
struct MyPointersArray {
DWORD m_n;
PVOID m_arr[1];
} object;
...

3. malloc( FIELD_OFFSET(struct MyPointersArray, m_arr) +
5 * sizeof(PVOID) );
...
В приведенном коде мы узнаем смещение последнего члена структуры и суммируем это
смещение с его размером. Смещение члена структуры или класса можно узнать с использованием
макроса offsetof или FIELD_OFFSET.
Всегда используйте эти макросы для получения смещения в структуре, не опираясь на знание
размеров типов и выравнивания. Пример кода с правильным вычислением адреса члена
структуры:
struct TFoo {
DWORD_PTR whatever;
int value;
} object;
int *valuePtr =
(int *)((size_t)(&object) + offsetof(TFoo, value)); // OK
Разработчиков Linux-приложений может ждать еще одна неприятность, связанная с
выравниванием. О ней вы можете прочитать в нашем блоге в посте "Изменения выравнивания
типов и последствия".
Диагностика
Поскольку работа с не выровненными данными не приводит к ошибке на архитектуре x64, а
только к снижению производительности, инструмент PVS-Studio не предупреждает об
упакованных структурах. Но если для вас критична производительность приложения,
рекомендуем просмотреть все места в программе, где используется "#pragma pack". Для
архитектуры IA-64 данная проверка более актуальна, но анализатор PVS-Studio пока не
ориентирован на верификацию программ для IA-64. Если вы работаете с системами на базе
Itanium и планируете приобрести PVS-Studio, напишите нам, и мы обсудим вопросы адаптации
этого инструмента к особенностям IA-64.
Инструмент PVS-Studio позволяет обнаружить ошибки, связанные с вычислением размеров
объектов и смещений. Анализатор обнаруживает опасные арифметические выражения,
содержащие в себе несколько операторов sizeof(), что свидетельствует о возможной ошибке.
Диагностическое сообщение имеет номер V119.
Однако во многих случаях использование нескольких операторов sizeof() в рамках одного
выражения корректно и анализатор игнорирует подобные конструкции. Пример безопасных
выражений с несколькими операторами sizeof:
int MyArray[] = { 1, 2, 3 };
size_t MyArraySize =

4. sizeof(MyArray) / sizeof(MyArray[0]); //OK
assert(sizeof(unsigned) < sizeof(size_t)); //OK
size_t strLen = sizeof(String) - sizeof(TCHAR); //OK
Приложение
На рисунке 2 представлены размеры типов и их выравнивание. Для изучения размеров объектов и
их выравнивания на различных платформах вы также можете воспользоваться примером кода,
приведенным в записи блога "Изменения выравнивания типов и последствия".
Рисунок 2 - Размеры типов и их выравнивание.

5. Авторы курса: Андрей Карпов (karpov@viva64.com), Евгений Рыжков (evg@viva64.com).
Правообладателем курса "Уроки разработки 64-битных приложений на языке Си/Си++"
является ООО "Системы программной верификации". Компания занимается разработкой
программного обеспечения в области анализа исходного кода программ. Сайт компании:
http://www.viva64.com.
Контактная информация: e-mail: support@viva64.com, 300027, г. Тула, а/я 1800.