Gran Alignment: alignas e alignof come usare le nuove keyword del C - pt.2

Padre Janovich: Cosa posso fare per lei, Mister Kowalski?
Walt Kowalski: Sono venuto a confessarmi.
Padre Janovich: O Dio del Cielo, che cosa ha fatto?
Walt Kowalski: Niente, veda di non scaldarsi.
Padre Janovich: Che cosa sta per fare?
Walt Kowalski: Me la fa questa confessione o no?

Dopo aver celebrato l'ultima fatica del grande Clint Eastwood (Cry Macho), rimarremo sullo stesso tema e andremo indietro di qualche anno per celebrare un altro gran film: Gran Torino. Qui Clint è Walt Kowalski: un vecchio brontolone con un cuore d'oro. Un tipo preciso e rigoroso con una gran passione per la sua splendida "Ford Gran Torino" (e guai a toccargliela).

Ecco, per spostarci sul nostro amato C possiamo dire che anche usare due delle nuove keyword del C11, _Alignas e _Alignof, è indice di grande precisione e rigore in programmazione, anche se in realtà (e, forse, anche per fortuna) l'uso è abbastanza limitato ad alcuni casi particolari (ad esempio la programmazione embedded super-ottimizzata). Comunque, anche se di uso limitato sono keyword utili e, come minimo, bisogna sapere cosa sono e a che servono, perché non si sa mai...

...ho appena rifatto l’allineamento delle ruote. Stai alla larga!...

Allora, vediamo un po'. _Alignas e _Alignof sono due (relativamente) nuove keyword che tratteremo in coppia: questa è un po' una forzatura considerando che fanno cose abbastanza diverse, ma, visto che operano sullo stesso argomento (l'allineamento), permettetemi la forzatura (grazie). Ok andiamo, cominciamo con _Alignas:

Il type specifier _Alignas

_Alignas è un type specifier (come _Complex e _Imaginary, visti nella parte 1 dell'articolo) che si può applicare a tipi ed espressioni. Anche in questo caso è valida la norma già citata del nome che comincia con undescore+maiuscola per facilitare la retro-compatibilità (come già spiegato nell'articolo precedente e che vi invito a rileggere, please). E quindi, anche _Alignas deve essere, opportunamente, usato attraverso il suo header stdalign.h, che gli permette di trasformarsi, magicamente, nel nome alignas (che è molto più user-friendly, no?). E a cosa serve alignas? Ebbene, come si intuisce dal nome, serve ad allineare. Ma allineare cosa? Beh, per non perderci in cervellotiche spiegazioni farò direttamente un bell'esempio col codice, che, spero, renderà bene l'idea:

#include <stdio.h>

struct struct_a {

char pippo;

float pluto;

short paperino;

};

struct struct_b {

float pluto;

short paperino;

char pippo;

};

int main(void)

{

printf("sizeof char : %zu\n", sizeof(char));

printf("sizeof short: %zu\n", sizeof(short));

printf("sizeof float: %zu\n", sizeof(float));

printf("il size di struct_a è: %zu\n", sizeof(struct struct_a));

printf("il size di struct_b è: %zu\n", sizeof(struct struct_b));

}

se compilate ed eseguite questo codice, il risultato (con GCC su Linux su amd64) sarà:

sizeof char : 1
sizeof short: 2
sizeof float: 4
il size di struct_a è: 12
il size di struct_b è: 8

Che sorpresa! Vi dirò, questa non dovrebbe essere una sorpresa ma, mio malgrado, ho scoperto che non pochi programmatori (specialmente quelli non avvezzi alla programmazione low-level) si sorprendono. Allora, senza tentare di spiegare come funzionano la ruota e l'acqua calda, riassumerò (molto brevemente e in maniera semplificata) come funziona l'allineamento nel C (e chi lo sa già può, ovviamente, saltare a piè pari le prossime righe):

1. La dimensione di una struttura è condizionata dall'allineamento dei dati usato dal compilatore (a sua volta condizionato dalla macchina: per questo nel test qui sopra ho specificato compilatore, OS e CPU): l'allineamento è sempre una potenza del 2, e l'elemento più grande di una struttura (nel nostro caso il float con size 4) condiziona l'allineamento di tutta la struttura.
2. Visto il punto 1, si può affermare che la dimensione minima della nostra struttura è il multiplo di 4 più vicino alla somma dei membri (nel nostro caso la somma è 7, quindi nel caso ottimale abbiamo ottenuto 8).
3. Il compilatore aggiunge, se necessario, dei byte di padding  per raggiungere il size finale (nel caso di struct_b ha aggiunto un byte). Se mettiamo i membri a caso  il padding  può essere notevole (nel caso di struct_a abbiamo 5 byte di padding).
4. Un buon ordine a prova di padding  è quello in cui gli elementi adiacenti possono essere raggruppati in sottogruppi di (in questo caso) 4 byte: in struct_b pluto occupa un sottogruppo e paperino+pippo stanno in un altro sottogruppo, quindi il risultato è ottimizzato. Lo stesso non si può dir di struct_a dove pippo non può stare nello stesso sottogruppo di pluto  (e quindi occuperà da solo 4 byte) e idem per pippo.

Evidentemente questo comportamento imprevisto  delle strutture può comportare vari problemi, alcuni di efficienza (dati non ordinati e non ridotti al minimo non vengono ben digeriti dalla CPU) e altri problemi, più gravi, di comportamenti indesiderati: ad esempio, trasferendo dati binari tra macchine diverse è possibile che, scrivendo i dati in una struttura destinazione, non si possa accedere correttamente ai membri perché le due macchine hanno allineamenti diversi. Anticamente questo si risolveva aggiungendo dei membri dummy  per allineare forzatamente la struttura (ed evitando il padding del compilatore), ma ora ci viene in aiuto alignas! (sospiro di sollievo).

E come si usa alignas? Ecco, vi propongo un esempio scemo  (ma proprio scemo) che fa una cosa un po' controproducente ma rende bene l'idea:

#include <stdio.h>

#include <stdalign.h>

struct struct_a {

char pippo;

float pluto;

short paperino;

};

struct struct_b {

float pluto;

short paperino;

char pippo;

};

struct struct_c {

alignas(4) float pluto;

alignas(4) short paperino;

alignas(4) char pippo;

};

int main(void)

{

printf("il size di struct_a è: %zu\n", sizeof(struct struct_a));

printf("il size di struct_b è: %zu\n", sizeof(struct struct_b));

printf("il size di struct_c è: %zu\n", sizeof(struct struct_c));

}

E il risultato dell'esecuzione sarà:

il size di struct_a è: 12
il size di struct_b è: 8
il size di struct_c è: 12

Ecco, grazie a questo codice abbiamo ottenuto di trasformare la nostra splendida e allineata struct_b in una struttura disallineata (o meglio: allineata come vogliamo noi): questo serve a poco, ma indica come con alignas possiamo modellare i dati (con un padding  forzato) per avere un comportamento sicuro anche, ad esempio, nel trasferimento tra macchine diverse. Ovviamente si può fare un uso molto più intelligente e sofisticato di alignas, ma spero che l'esempio abbia chiarito le idee.

Ah, dimenticavo: alignas ha delle limitazioni d'uso (relative all'uso con variabili register e bit-fields, ecc.) ma per la lista completa vi rimando alle pagine del manuale. E adesso è il turno di _Alignof:

L'operatore _Alignof

_Alignof è un operatore, esattamente come sizeof con cui condivide il modo d'uso e una certa  assonanza del nome. Anche _Alignof può essere, opportunamente, usato attraverso il suo header stdalign.h, che gli permette di trasformarsi (di nuovo magicamente) in alignof. Come si può intuire dal nome, alignof ritorna l'allineamento del tipo (o oggetto) passato in argomento, esattamente come sizeof ritorna il size. Quindi, grazie a questo nuovo operatore, possiamo controllare bene gli allineamenti degli oggetti che usiamo, e agire opportunamente in base alle necessità: risulta evidente che il campo applicativo è lo stesso di alignas (con cui, non a caso, condivide l'header), e un semplice esempio d'uso potrebbe essere il seguente:

struct struct_a {
    char  pippo;
    float pluto;
    short paperino;
};
struct struct_b {
    float pluto;
    short paperino;
    char  pippo;
};
struct struct_c {
    alignas(4) float pluto;
    alignas(4) short paperino;
    alignas(4) char  pippo;
};
struct struct_d {
    alignas(8) float pluto;
    alignas(8) short paperino;
    alignas(8) char  pippo;
};
int main(void)
{
    printf("il size di struct_a è: %zu\n", sizeof(struct struct_a));
    printf("il alignof di struct_a è: %zu\n", alignof(struct struct_a));
    printf("il size di struct_b è: %zu\n", sizeof(struct struct_b));
    printf("il alignof di struct_b è: %zu\n", alignof(struct struct_b));
    printf("il size di struct_c è: %zu\n", sizeof(struct struct_c));
    printf("il alignof di struct_c è: %zu\n", alignof(struct struct_c));
    printf("il size di struct_d è: %zu\n", sizeof(struct struct_d));
    printf("il alignof di struct_d è: %zu\n", alignof(struct struct_d));
}

E il risultato dell'esecuzione sarà:

il size di struct_a è: 12
il alignof di struct_a è: 4
il size di struct_b è: 8
il alignof di struct_b è: 4
il size di struct_c è: 12
il alignof di struct_c è: 4
il size di struct_d è: 24
il alignof di struct_d è: 8

Ossia: grazie ad alignof possiamo verificare le condizioni base di allineamento e possiamo anche verificare il risultato di una operazione di alignas. Semplice no? Anche in questo caso l'esempio era un po' scemo, ma spero che renda bene l'idea.

E con questo credo che sia tutto. Nel prossimo articolo tratteremo le restanti nuove keyword del C11, e per oggi può bastare: con tutti questi allineamenti e disallineamenti mi è venuto un mal di testa... e spero di non averlo fatto venire anche a voi!

Ciao, e al prossimo post!