aapcs : Alignment

대부분의 CPU는 메모리 접근 효율을 위해 Align 된 주소로 접근을 한다. 왜 그렇게 해야 효율적인지는 모르겠지만 그렇다고 한다.

Align 된 주소란 대부분 액세스하려는 Data의 크기의 배수인 주소를 말한다. 예를 들면 uint32_t 처럼 4바이트 데이터는 0, 4, 8, 12, 16,… 같은 주소가 Align 된 주소다. 1, 5, 7과 같은 주소는 4의 배수가 아니므로 Align 된 주소가 아니다.

Sample Code

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

struct ALIGN01 {
  uint32_t four_bytes1;
  uint32_t four_bytes2;
  uint16_t two_bytes1;
  uint8_t one_byte1;
  uint8_t one_byte2;
};

struct ALIGN02 {
  uint8_t one_byte1;
  uint32_t four_bytes1;
  uint8_t one_byte2;
  uint32_t four_bytes2;
  uint16_t two_bytes1;
};

struct ALIGN01 align01 = { 0xa4a3a2a1, 0xb4b3b2b1, 0xc2c1, 0xd1, 0xe1};
struct ALIGN02 align02 = { 0xd1, 0xa4a3a2a1, 0xe1, 0xb4b3b2b1, 0xc2c1};

int main(int argc, char **argv) {

  printf("Size of ALIGN01 : %d\n", sizeof(struct ALIGN01));
  printf("Size of ALIGN02 : %d\n", sizeof(struct ALIGN02));

  return 0;
}

예제에 두 가지 구조체가 있다. ALING01, ALIGN02 둘 다 uint32_t 두 개, uint16_t 한 개, uint8_t 한 개. 합하면 각 12 Bytes를 사용한다.

Compile 및 실행

$ gcc -std=c11 -g3 -O0 -o alignment alignment.c
$ ./alignment
Size of ALIGN01 : 12
Size of ALIGN02 : 20

두 개의 구조체 모두 맴버들 크기의 합이 12 바이트인데. sizeof() 결과를 보면 ALIGN01은 12바이트로 문제가 없어 보이는데, ALIGN02는 20바이트를 차지하고 있다.

Alignment 확인

struct ALIGN01 align01과 struct ALIGN02 align02의 값이 메모리상에 실제로 어떻게 들어가 있는지 확인.

$ objdump -F -t alignment -j .data -s

alignment:     file format elf32-littlearm

SYMBOL TABLE:
00020628 l    d  .data  00000000              .data
00020628  w      .data  00000000              data_start
00020630 g     O .data  0000000c              align01
00020650 g       .data  00000000              _edata
00020628 g       .data  00000000              __data_start
0002062c g     O .data  00000000              .hidden __dso_handle
0002063c g     O .data  00000014              align02
00020650 g     O .data  00000000              .hidden __TMC_END__


Contents of section .data:  (Starting at file offset: 0x628)
 20628 00000000 00000000 a1a2a3a4 b1b2b3b4  ................
 20638 c1c2d1e1 d1000000 a1a2a3a4 e1000000  ................
 20648 b1b2b3b4 c1c20000                    ........

먼저 00000000 00000000 다음에 a1a2a3a4가 align01.four_bytes1의 값이다. (c source code에서는 a4a3a2a1이였는데 여기서 a1a2a3a4로 보여지는 이유는 Little Endian이고 objdump에서 byte 순서 그대로 출력하기 때문이다.)

align01 멤버들의 값은 순서대로 빈틈없이 빽빽하게 나열된 것을 확인할 수 있다. (a1a2a3a4 b1b2b3b4 c1c2 d1 e1)

하지만 d1000000로 시작하는 align02의 값들은 듬성듬성 나열되어있다. (d1 000000 a1a2a3a4 e1 000000 b1b2b3b4 c1c2 000000) 먼저 d1 값은 align02.one_byte1의 값이다. 그리고 다음 순서인 four_bytes1 값을 메모리에 넣으려니 4의 배수 주소에 넣어야 하므로 3바이트를 건너뛰고 뒤쪽에 4 bytes align이 맞는 주소에 값을 넣어주게 된다. e1 다음에 3 bytes를 건너뛴 것도 같은 이유에서다.

그럼 c1c2 까지 딱 끊기면 18 bytes면 되는데 왜 마지막에 0000이 있어서 20 bytes로 만드나? struct의 alignement는 멤버들의 alignment중 가장 큰 값을 따르고, struct의 사이즈는 alignment의 배수여야 한다는 제약이 있어서 그렇다. struct ALIGN02의 alignment는 멤버중 aligment가 가장 큰 uint32_t를 따라서 4가 되고. 4의 배수중에서 모든 멤버를 다 커버할 수 있는 크기는 20이 된다.