Книга: Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

Выравнивание данных

Выравнивание данных

Еще один вопрос, касающийся оборудования, о котором следует помнить, связан с выравниванием данных. Современные процессоры устроены таким образом, что они считывают данные отдельными кусками по 32 бита. Кроме того, эти куски всегда выравниваются по границе 32 бит. Это означает, что адреса памяти, передаваемые от процессора в кэш-память, всегда делятся на четыре без остатка (4 байта = 32 бита), т.е. два младших бита адреса являются нулевыми. Когда 64-и более разрядные процессоры станут достаточно распространенными, адресация превратится в 64-битную (или 128-битную) и выравнивание будет производиться уже по новой границе.

Какое отношение имеет выравнивание данных к приложениям? При программировании необходимо убедиться, что переменные типа longint и указатели выровнены по четырехбайтовой или 32-битовой границе. Если они переходят через границу 4 байт, процессору придется выдать две команды на считывание кэш-памяти: первая команда для считывания первой части, а вторая - второй части. Затем процессору потребуется соединить две части значения и отбросить ненужные биты. (В ряде процессоров 32-битные значения всегда должны выравниваться по границе 32 бит. В противном случае возникает ошибка нарушения доступа. К счастью, процессоры Intel не требуют этого, что, в свою очередь, провоцирует программистов на некоторую небрежность.)

Всегда убеждайтесь в том, что 32-битные значения выровнены по границе 32 бит, а 16-битные значения - по границе 16 бит. Для увеличения быстродействия следует убедиться, что 64-битные значения (например, переменные типа double) выровнены по 64-битной границе.

Все это звучит достаточно сложно, но в действительности программисту очень помогает компилятор Delphi. В результате особое внимание нужно уделять только объявлению типа record. Все глобальные и локальные атомарные переменные (т.е. переменные простых типов) выравниваются должным образом. Если тип выравнивания не установлен, то 32-разрядный компилятор Delphi будет автоматически выравнивать и поля типа record. Для этого он добавляет незначащие байты. В 16-разрядной версии автоматическое выравнивание переменных атомарных типов не используется, поэтому будьте осторожны.

Автоматическое выравнивание переменных иногда может ввести программиста в заблуждение. Если, например, объявлен следующий тип record в 32-разрядной версии Delphi, каким будет результат выполнения операции sizeof(TMyRecord)?

type

TMyRecord = record

aByte : byte;

aLong : longint;

end;

Многие без сомнения ответят, что, дескать, 5 байт (и это было бы правильно для Delphi1). Однако верным ответом будет 8 байт. Компилятор автоматически вставит три байта между полем aByte и along, просто чтобы выровнять последнее поле по границе 4 байт.

Если тип record объявить следующим образом:

type

TMyRecord = packed record

aByte : byte;

aLong : longint;

end;

то функция sizeof(TMyRecord) даст результат 5. Однако в этом случае доступ к полю aLong потребует больше времени, чем в предыдущем примере, поскольку значение поля будет переходить через границу 4 байт. Следовательно, правило можно сформулировать так: если используется ключевое слово packed, поля в записи должны располагаться таким образом, чтобы данные были выровнены по границе 4 байт. Сначала объявите 4-байтные поля, а затем уже все остальные. Это правило применяется во всех кодах, приведенных в настоящей книге. И еще одно, никогда не угадывайте размер записи, а пользуйтесь для этого функцией sizeof.

Кстати, следует знать, что диспетчер динамического распределения памяти Delphi также помогает выполнять выравнивание данных. Он выравнивает не только 4-байтные значения по границе 4 байт, но и 8-байтные значения по границе 8 байт. Это имеет большое значение для переменных типа double: операции с числами с плавающей запятой выполняются быстрее, если переменные типа double выровнены по границе 8 байт. Если задачи по программированию связаны с использованием большого количества числовых переменных, убедитесь, что поля типа double в записях выровнены по границе 8 байт.

Оглавление книги