Что такое выравнивание, и как оно влияет на работу ваших программ

Как-то раз, обсуждая с одногруппницей тему ее диплома, я посоветовал ей отличную статью Data alignment: Straighten up and fly right, посвященную выравниванию данных в оперативной памяти. Т. к. с английским у нее дела обстоят не очень хорошо, она попросила меня перевести статью на русский язык. Переведя статью, я решил, что незачем добру пропадать, и поэтому с разрешения автора выкладываю сюда перевод. Перевод довольно вольный, но в то же время достаточно точный. Вообщем, буду рад, если кому-нибудь пригодится.

Выравнивание данных - очень важное понятие, которое должен принимать во внимание каждый программист, работающий с памятью напрямую. Выравнивание данных влияет на скорость выполнения ваших программ и на то, будут ли они вообще работать. Понимание основных принципов, заложенных в данном понятии, объясняет на первый взгляд странное поведение некоторых процессоров.

Гранулярность доступа к памяти

Программисты привыкли думать о памяти, как о простом массиве байтов. В языке C и его языках-наследниках char* всегда означало "блок данных", и даже в Java™ есть тип byte[] для представления "сырых" данных в памяти.

Рис. 1. Как программисты видят память


Однако, процессор в вашем компьютере считывает данные из памяти блоками размером отнюдь не в одни байт. Считывание данных производится блоками по 2, 4, 8, 16 или даже 32 байта. Далее размер таких блоков мы будем называть гранулярностью доступа к памяти.

Рис. 2. Как эту же память видят процессоры


Разница в том, как программисты видят память, и как процессоры на самом деле с ней работают, приводит к интересным последствиям, которым и посвящена данная статья.

Если вы не понимаете, какое влияние выравнивание данных способно оказать на ваше программное обеспечение, то возможно возникновение следующих проблем в работе вашего ПО (в порядке возрастания пагубного воздействия):

• Приложение будет работать медленнее.
• Приложение может "зависнуть".
• Операционная система может внезапно аварийно завершиться.
• Приложение будет работать непредсказуемо, что в итоге может привести к порче ваших данных.