【初心者向け】C言語の`alignof` キーワード：メモリ配置を理解してパフォーマンスを向上させる

構文

alignof( 型名 );

戻り値

alignof 演算子は、std::size_t 型の値を返します。これは、システムでサポートされる最大サイズの整数型です。

例

int x;
std::size_t alignment = alignof(x);
// alignment は 4 になる可能性が高い

この例では、alignof(x) は x 変数のメモリアライメントを取得し、その値を alignment 変数に格納します。ほとんどのシステムでは、int 型は 4 バイト境界に配置されるため、alignment は 4 になります。

alignof の用途

alignof は、次のようなさまざまな目的で使用できます。

データ構造の理解：データ構造のレイアウトを理解するのに役立ちます。
パフォーマンスの向上：データが適切に配置されていると、メモリアクセス速度が向上し、パフォーマンスが向上する場合があります。 alignof を使用して、データ配置を最適化できます。
ハードウェア要件の満た：特定のハードウェアで効率的に動作するために、データが特定の境界線に揃えられている必要がある場合があります。 alignof を使用して、この要件を満たしていることを確認できます。

alignof と sizeof の違い

alignof と sizeof はどちらもデータサイズを取得するために使用されますが、異なる情報を提供します。

alignof は、データ型または変数の メモリアライメント を返します。
sizeof は、データ型または変数の バイト数 を返します。

alignof は、C プログラマーにとって便利なツールです。データ型または変数のメモリアライメントを取得することで、ハードウェア要件を満たし、パフォーマンスを向上させ、データ構造を理解することができます。

alignas キーワードを使用して、データ型または変数のメモリアライメントを明示的に指定することもできます。
alignof は、C++11 でも使用できます。

例 1: データ型のメモリアライメントを取得する

#include <stdio.h>

int main() {
  int x;
  double y;
  struct Point {
    int x;
    int y;
  };
  struct Point p;

  printf("int のメモリアライメント: %zu バイト\n", alignof(int));
  printf("double のメモリアライメント: %zu バイト\n", alignof(double));
  printf("struct Point のメモリアライメント: %zu バイト\n", alignof(struct Point));
  printf("Point.x のメモリアライメント: %zu バイト\n", alignof(p.x));

  return 0;
}

このコードは、次の出力を生成します。

int のメモリアライメント: 4 バイト
double のメモリアライメント: 8 バイト
struct Point のメモリアライメント: 8 バイト
Point.x のメモリアライメント: 4 バイト

例 2: ハードウェア要件を満たす

#include <stdio.h>

void store_aligned_int(int *ptr) {
  // ptr は 4 バイト境界に揃っている必要があります
  *ptr = 10;
}

int main() {
  int x;

  store_aligned_int(&x);

  return 0;
}

このコードは、int 型のデータを 4 バイト境界に揃った場所に格納する関数 store_aligned_int を定義します。

例 3: パフォーマンスを向上させる

#include <stdio.h>

struct UnalignedStruct {
  int x;
  char y;
};

struct AlignedStruct {
  char y;
  int x;
};

int main() {
  struct UnalignedStruct unaligned_data;
  struct AlignedStruct aligned_data;

  // 非揃えデータのアドレスを出力します
  printf("非揃えデータ: %p\n", &unaligned_data);

  // 揃えデータのアドレスを出力します
  printf("揃えデータ: %p\n", &aligned_data);

  return 0;
}

このコードは、非揃え構造体 UnalignedStruct と揃え構造体 AlignedStruct を定義します。ほとんどのシステムでは、AlignedStruct の方が効率的にメモリにアクセスできるため、パフォーマンスが向上します。

例 4: データ構造の理解

#include <stdio.h>

struct MyStruct {
  int x;
  char y[10];
  double z;
};

int main() {
  struct MyStruct data;

  printf("MyStruct のサイズ: %zu バイト\n", sizeof(data));
  printf("x のオフセット: %zu バイト\n", offsetof(struct MyStruct, x));
  printf("y のオフセット: %zu バイト\n", offsetof(struct MyStruct, y));
  printf("z のオフセット: %zu バイト\n", offsetof(struct MyStruct, z));

  return 0;
}

このコードは、MyStruct 構造体のレイアウトを理解するのに役立ちます。 offsetof マクロを使用して、構造体のメンバーのオフセットを取得できます。

sizeof と計算による代替

限られた状況下では、sizeof 演算子と手動計算を使用して、alignof の代替として使用することができます。しかし、この方法は以下の点で劣ります。

移植性が低い
常に正確ではない
複雑なデータ型の場合、誤った結果を招きやすい

例：

int x;
size_t alignment = sizeof(x);
// これは `alignof(x)` と同じ結果を**偶然**得るだけかもしれない

// 構造体の整列を計算するには、より複雑な計算が必要となります
struct MyStruct {
  int x;
  char y[10];
  double z;
};

size_t alignment = sizeof(struct MyStruct);
size_t struct_alignment = alignment % max(sizeof(int), sizeof(double));
// struct_alignment は MyStruct の整列ではない可能性が高い

型定義マクロ

事前に型定義マクロを定義することで、alignof をある程度置き換えることができます。しかし、この方法は以下の点で劣ります。

マクロの定義と使用方法を理解する必要がある
すべての状況で alignof を完全に置き換えることはできない

#define MY_ALIGNMENT __alignof__(int)

int x;
size_t alignment = MY_ALIGNMENT;

// 構造体の整列を定義するには、より複雑なマクロが必要となります
struct MyStruct {
  int x;
  char y[10];
  double z;
};

#define STRUCT_ALIGNMENT max(MY_ALIGNMENT, sizeof(double))

struct MyStruct data;

プラットフォーム固有のヘッダーファイル

一部のプラットフォームでは、alignof のような機能を提供する独自のヘッダーファイルが用意されています。しかし、この方法は以下の点で劣ります。

すべてのプラットフォームで利用可能とは限らない
移植性が低い

#ifdef _WIN32
#include <intrin.h>
#define MY_ALIGNMENT __alignof__(int)
#elif __GNUC__
#define MY_ALIGNMENT __alignof__(int)
#else
// 代替手段がない場合は、エラー処理を行う
#endif

int x;
size_t alignment = MY_ALIGNMENT;

コンパイラ固有の拡張機能

一部のコンパイラは、alignof のような機能を提供する独自の拡張機能を提供しています。しかし、この方法は以下の点で劣ります。

すべてのコンパイラで利用可能とは限らない
移植性が非常に低い

#ifdef __clang__
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wunknown-pragmas"
#pragma clang attribute ((aligned(64))) int x;
size_t alignment = __alignof__(x);
#pragma clang diagnostic pop
#endif

// GCC などの他のコンパイラには同様の拡張機能がある可能性があります