防止在堆上未對齊的數據

Question

我正在構建一個使用SSE內在函數的類層次結構，因此該類的某些成員需要16字節對齊。對於棧實例，我可以使用__declspec(align(#))，像這樣：

typedef __declspec(align(16)) float Vector[4]; 
class MyClass{ 
... 
private: 
Vector v; 
}; 

現在，由於__declspec(align(#))是一個編譯指令，下面的代碼可能會導致矢量堆上未對齊的實例：

MyClass *myclass = new MyClass; 

這我知道我可以很容易地通過超載新和刪除運營商相應地使用_aligned_malloc和_aligned_free。像這樣：

//inside MyClass: 
public: 
void* operator new (size_t size) throw (std::bad_alloc){ 
    void * p = _aligned_malloc(size, 16); 
    if (p == 0) throw std::bad_alloc() 
    return p; 
} 

void operator delete (void *p){ 
    MyClass* pc = static_cast<MyClass*>(p); 
    _aligned_free(p); 
} 
... 

到目前爲止好..但這裏是我的問題。請看下面的代碼：

class NotMyClass{ //Not my code, which I have little or no influence over 
... 
MyClass myclass; 
... 
}; 
int main(){ 
    ... 
    NotMyClass *nmc = new NotMyClass; 
    ... 
} 

由於MyClass的MyClass的實例靜態創建於NotMyClass的動態實例，MyClass的會比較一致，因爲Vector的__declspec(align(16))指令NMC的開始16字節。但是這是毫無價值的，因爲nmc是通過NotMyClass的新運算符在堆上動態分配的，這不會確保（肯定可能不是）16字節對齊。

到目前爲止，我只能想到2點的方法對如何處理這個問題：

1. 防止MyClass的用戶能夠編譯下面的代碼：

   MyClass myclass; 
   

   意義， MyClass的實例只能使用new運算符動態創建，從而確保MyClass的所有實例都是使用MyClass的重載新實例動態分配的。我諮詢關於如何做到這一點的另一個線程，並得到了一些偉大的答案：不必在我的課矢量成員 C++, preventing class instance from being created on the stack (during compiltaion)

2. 還原並只有指針向量作爲成員，我會分配和使用_aligned_malloc解除分配並分別在ctor和dtor中輸入_aligned_free。這種方法看起來很粗糙，容易出錯，因爲我不是編寫這些類的唯一程序員（MyClass派生自基類，許多這些類使用SSE）。

但是，既然這兩個解決方案都在我的團隊中被淹沒了，我會向您尋求不同解決方案的建議。

Answer 1

如果您設置了堆分配，另一個想法是在堆棧上分配並手動對齊（手動對齊在this SO post中討論）。我們的想法是分配保證包含所需大小的對齊區域的大小的數據（unsigned char），然後通過從最大偏移的區域（x+15 - (x+15) % 16或x+15 & ~0x0F）向下取整找到對齊的位置。我在codepad（對於g++ -O2 -msse2）發佈了一個帶有矢量運算的此方法的工作示例。這裏有一些重要的位：

class MyClass{ 
    ... 
    unsigned char dPtr[sizeof(float)*4+15]; //over-allocated data 
    float* vPtr;       //float ptr to be aligned 

    public: 
     MyClass(void) : 
     vPtr(reinterpret_cast<float*>( 
      (reinterpret_cast<uintptr_t>(dPtr)+15) & ~ 0x0F 
     )) 
     {} 
    ... 
}; 
... 

該構造函數確保vPtr對齊（注意類聲明中成員的順序很重要）。

這種方法的工作原理（包含類的堆/棧分配與對齊無關），是portabl-ish（我認爲大多數編譯器提供了一個指針大小爲uint uintptr_t），並且不會泄漏內存。但它不是特別安全的（即一定要保持一致指針下副本有效，等），廢物（幾乎）儘可能多的內存，因爲它使用，有的可能會發現令人反感的reinterpret_casts。

的對齊操作/未對齊數據的問題風險可以通過在一個矢量對象封裝這樣的邏輯，從而控制進入對準指針，並確保它被在施工對齊和保持有效來基本消除。

Answer 2

您可以使用「放置新的。」

void* operator new(size_t, void* p) { return p; } 

int main() { 
    void* p = aligned_alloc(sizeof(NotMyClass)); 
    NotMyClass* nmc = new (p) NotMyClass; 
    // ... 

    nmc->~NotMyClass(); 
    aligned_free(p); 
} 

當然，在銷燬對象時，通過調用析構函數然後釋放空間，需要小心。你不能只調用刪除。你可以使用不同的函數shared_ptr <>自動處理;它取決於處理shared_ptr（或指針的其他包裝）的開銷對您是否有問題。

Answer 3

即將到來的C++ 0x標準提出了處理原始內存設施。它們已被合併到VC++ 2010中（在tr1命名空間中）。

std::tr1::alignment_of // get the alignment 
std::tr1::aligned_storage // get aligned storage of required dimension 

這些都是類型，你可以使用它們像這樣：

static const floatalign = std::tr1::alignment_of<float>::value; // demo only 

typedef std::tr1::aligned_storage<sizeof(float)*4, 16>::type raw_vector; 
     // first parameter is size, second is desired alignment 

然後你可以聲明你的類：

class MyClass 
{ 
public: 

private: 
    raw_vector mVector; // alignment guaranteed 
}; 

最後，你需要一些投地操縱它（這是原始內存直到現在）：

float* MyClass::AccessVector() 
{ 
    return reinterpret_cast<float*>((void*)&mVector)); 
}