Что такое стек и технологии выравнивания памяти?

Стек — это динамическая структура данных, реализующая принцип LIFO (Last In, First Out). В контексте выполнения программы стек используется для хранения:

• Локальных переменных функций.
• Аргументов функций.
• Адреса возврата после вызова функции.
• Состояния регистров перед вызовом функции.

При вызове функции создается стековый кадр (stack frame) для этой функции. При завершении функции стековый кадр удаляется.

void function(int a, int b) {
    // a, b - аргументы функции, хранятся в стеке
    int c = a + b; // c - локальная переменная, хранится в стеке
    // ...
} // При выходе из функции стековый кадр удаляется

Выравнивание памяти (Memory Alignment)

Выравнивание памяти — это требование к адресу начала данных определенных типов быть кратным определенному числу, называемому границей выравнивания (alignment boundary).

Причины и следствия:

• Производительность: Большинство современных процессоров эффективнее считывают и записывают данные, если они выровнены. Это связано с тем, как устроена работа с кэш-памятью и шиной данных. Невыровненные данные могут требовать нескольких операций чтения/записи.
• Атомарность: Некоторые атомарные операции требуют выровненных данных.
• Требования архитектуры: На некоторых архитектурах доступ к невыровненным данным приводит к ошибке.

Компиляторы автоматически выравнивают данные, располагая их в памяти с учетом требований. Это может приводить к появлению промежутков выравнивания (padding) между членами структур или между объектами в массиве.

struct MyStruct {
    char c; // 1 байт
    int i;  // 4 байта
    short s; // 2 байта
};

Без выравнивания MyStruct занимала бы 1 + 4 + 2 = 7 байт. На 32-разрядной архитектуре с выравниванием для int 4 байта:

Член	Размер (байты)	Смещение (байты)
c	1	0
Padding	3	1-3
i	4	4
s	2	8
Padding	2	10-11

Общий размер структуры будет 12 байт.

В C++11 и более поздних версиях можно использовать alignas для указания минимального выравнивания:

struct alignas(16) AlignedStruct {
    int data[4]; // Будет выровнено по границе 16 байт
};

Функция alignof(тип) возвращает требуемое выравнивание для типа.