Technologie d'alignement de mémoire dans l'optimisation des performances des fonctions C++

L'alignement de la mémoire place les variables dans les structures de données sur des limites spécifiques pour augmenter la vitesse d'accès à la mémoire. En C++, l'alignement de la mémoire peut être réalisé via la macro d'attribut ((aligned)) ou la directive #pragma pack. Par exemple, l'alignement d'un membre de structure sur une limite de 4 octets peut améliorer considérablement les performances d'accès aux données de ce membre, car les ordinateurs modernes accèdent à la mémoire par blocs de 4 octets. Les tests de référence montrent que les structures alignées sont accessibles presque deux fois plus rapidement que celles non alignées.

Technologie d'alignement de mémoire dans l'optimisation des performances des fonctions C++

Introduction

L'alignement de mémoire fait référence au placement de variables dans une structure de données à une adresse mémoire afin qu'elle puisse être divisible par un entier d'une taille spécifique. En C++, l'alignement de la mémoire peut être réalisé en utilisant la macro __attribute__ ((aligned)) ou la directive #pragma pack. __attribute__ ((aligned)) 宏或 #pragma pack 指令来实现。

原理

现代计算机以特定大小的块（称为缓存行）访问内存。如果变量的地址与缓存行的边界对齐，则访问该变量的数据可以一次性加载到缓存中。这可以显著提高内存访问速度。

实战案例

考虑以下结构体：

struct UnalignedStruct {
  int x;
  char y;
  double z;
};

此结构体未对齐，因为它没有将成员放置在内存地址的 4 字节边界上。可以通过使用 __attribute__ ((aligned)) 宏强制对齐此结构体：

struct AlignedStruct {
  int x;
  char y __attribute__ ((aligned (4)));
  double z;
};

现在，y 成员的地址将对齐到 4 字节边界上，这可以提高访问 y

Principe

Les ordinateurs modernes accèdent à la mémoire par blocs de tailles spécifiques, appelés lignes de cache. Si l'adresse de la variable est alignée avec la limite de la ligne de cache, les données accédant à la variable peuvent être chargées dans le cache en une seule fois. Cela peut améliorer considérablement la vitesse d’accès à la mémoire.

Exemple pratique

Considérez la structure suivante : 🎜

#include <iostream>
#include <benchmark/benchmark.h>

struct UnalignedStruct {
  int x;
  char y;
  double z;
};

struct AlignedStruct {
  int x;
  char y __attribute__ ((aligned (4)));
  double z;
};

void BM_UnalignedAccess(benchmark::State& state) {
  UnalignedStruct s;
  for (auto _ : state) {
    benchmark::DoNotOptimize(s.y);  // Prevent compiler optimization
    benchmark::ClobberMemory();
  }
}

void BM_AlignedAccess(benchmark::State& state) {
  AlignedStruct s;
  for (auto _ : state) {
    benchmark::DoNotOptimize(s.y);  // Prevent compiler optimization
    benchmark::ClobberMemory();
  }
}
BENCHMARK(BM_UnalignedAccess);
BENCHMARK(BM_AlignedAccess);

🎜Cette structure n'est pas alignée car elle ne place pas les membres sur des limites de 4 octets d'adresses mémoire. Vous pouvez forcer l'alignement de cette structure en utilisant la macro __attribute__ ((aligned)) : 🎜

Benchmark                         Time             CPU   Iterations
-----------------------------------------------------------------------------------
BM_UnalignedAccess             12.598 ns        12.591 ns     5598826
BM_AlignedAccess                6.623 ns         6.615 ns    10564496

🎜 Désormais, l'adresse du membre y sera alignée sur un 4- limite d'octets, qui fonctionne Améliore les performances d'accès aux données y. 🎜🎜🎜Améliorations des performances🎜🎜🎜Le benchmark suivant compare les performances d'accès à la mémoire des structures alignées et non alignées : 🎜rrreee🎜L'exécution de ce benchmark génère les résultats suivants : 🎜rrreee🎜Comme le montrent les résultats, les vitesses d'accès aux structures alignées sont près de deux fois plus rapides que structures non alignées. 🎜

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