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Modern Embedded Recipes · 90/152

메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“Alignment는 공짜 성능입니다.” Natural alignment를 깨면 ARM에서 fault가 나거나 cycle이 두 배로 듭니다. packed전송 프로토콜에만 씁니다.

#어떤 상황에서 쓰나

UART나 BLE로 받은 byte stream을 struct로 캐스팅해서 읽으려고 할 때 가장 먼저 마주칩니다. 송신측이 정렬을 고려하지 않은 layout을 쏘아 보내면 __attribute__((packed))를 붙일 수밖에 없고, 그 결과 ARMv6/M0에서는 hard fault, Cortex-A에서는 cycle 두 배의 비용이 발생합니다.

또 한 가지는 struct를 정의할 때입니다. 같은 field를 어떤 순서로 두느냐에 따라 sizeof가 두 배로 차이날 수 있습니다. RAM이 빠듯한 MCU에서는 그만큼 다른 데이터를 더 둘 수 있느냐 마느냐가 결정됩니다.

#핵심 개념

Natural alignment:

Type경계
uint8_t1-byte (어디든)
uint16_t2-byte
uint32_t4-byte
uint64_t8-byte (32-bit ARM은 4-byte로 처리)
double8-byte
pointerarchitecture word size

C 표준은 모든 type에 natural alignment를 요구합니다. struct field 사이에 padding이 자동으로 들어가 이 규칙을 지킵니다.

ArchitectureUnaligned access
ARM ARMv6/M0→ BUS FAULT
ARM ARMv7+/M3+허용, 2배 cycle
x86허용, 거의 0 cost

ARM Cortex-M0/M3에서는 정렬을 놓치면 hard fault로 reset됩니다. 정렬 비용이 무료가 아닙니다.

#코드 / 실제 사용 예

#Struct padding 규칙

struct s1 {
char a; /* offset 0 */
/* padding 3 byte */
int b; /* offset 4 */
char c; /* offset 8 */
/* padding 3 byte */
};
/* sizeof(s1) = 12 */
struct s2 {
int b; /* offset 0 */
char a; /* offset 4 */
char c; /* offset 5 */
/* padding 2 byte */
};
/* sizeof(s2) = 8 — 33% 절약 */

큰 type을 먼저, 작은 type을 뒤에 두면 padding이 줄어듭니다. RAM이 빠듯하면 의식적으로 reorder합니다.

#offsetof, alignof, sizeof

#include <stddef.h>
#include <stdalign.h>
struct s {
char a;
int b;
long long c;
};
printf("sizeof = %zu\n", sizeof(struct s)); /* 16 */
printf("offsetof(a) = %zu\n", offsetof(struct s, a)); /* 0 */
printf("offsetof(b) = %zu\n", offsetof(struct s, b)); /* 4 */
printf("offsetof(c) = %zu\n", offsetof(struct s, c)); /* 8 */
printf("alignof = %zu\n", alignof(struct s)); /* 8 */

protocol을 정의할 때 offsetof로 layout이 의도와 같은지 확인합니다.

#_Static_assert로 layout 검증

struct frame {
uint8_t type;
uint8_t flags;
uint16_t len;
uint32_t payload;
};
_Static_assert(sizeof(struct frame) == 8, "frame layout drift");
_Static_assert(offsetof(struct frame, len) == 2, "len position");

컴파일 시점에 layout이 깨지면 빌드가 실패합니다. 외부 device와의 protocol을 보호하는 가장 단순한 방법입니다.

#Packed의 함정

struct __attribute__((packed)) bad {
char a;
int b; /* offset 1 — misaligned! */
};
struct bad p;
int v = p.b; /* Cortex-M3: 2 cycle, Cortex-M0: fault */

packed는 padding을 모두 없앱니다. 그 결과 align되지 않은 read/write가 일어나, ARM에서는 cycle이 두 배이거나 fault가 발생합니다.

/* 안전한 packed 접근 — memcpy로 우회 */
int v;
memcpy(&v, &p.b, sizeof(v));

memcpy는 컴파일러가 unaligned-safe로 처리합니다. packed struct를 다룰 때 표준 패턴입니다.

#전송 프로토콜용 packed

/* 외부 device와의 wire format — packed 필수 */
struct __attribute__((packed)) sensor_packet {
uint8_t sof;
uint16_t length; /* little-endian */
uint32_t timestamp;
int16_t data[8];
uint16_t crc;
};
_Static_assert(sizeof(struct sensor_packet) == 25, "wire format");

이 경우 packed가 목적입니다. 단, 접근 시 memcpy로 풀어 처리합니다.

#Explicit alignment

#include <stdalign.h>
alignas(8) static uint8_t dma_buf[1024]; /* 8-byte 정렬 */
struct alignas(64) hot {
int a;
};

DMA buffer나 cache line aligned struct는 alignas로 명시합니다. compiler가 시작 위치를 보장합니다.

#Compiler 특정 attribute

/* GCC, Clang */
__attribute__((aligned(8))) uint8_t b1[1024];
__attribute__((aligned(64))) struct x { int a; } y;
/* MSVC */
__declspec(align(8)) uint8_t b1[1024];
/* C11 표준 */
_Alignas(8) uint8_t b1[1024];
alignas(8) uint8_t b1[1024]; /* stdalign.h */

C11 이후로는 alignas가 표준입니다. 가능하면 표준 keyword를 씁니다.

#Stack alignment 보장

void func(void) {
alignas(16) char buf[64]; /* stack에 16-byte align */
}

함수의 stack frame은 보통 8-byte 또는 16-byte 정렬됩니다. local 변수에 큰 alignment를 요구할 때만 alignas를 씁니다.

#측정 / 성능 비교

Cortex-M4 72 MHz
aligned 32-bit read 1 cycle
unaligned 32-bit read 2 cycle
aligned + memcpy 32-bit 2~3 cycle (memcpy 펼침)
packed 접근 → memcpy 우회 2~3 cycle (안전)
Cortex-A72
aligned NEON load (vld1q) 1 cycle
unaligned NEON load 2 cycle (cross-line)

정렬을 깨면 최소 2배 cycle이 듭니다. cross-cache-line이면 더 늘어납니다.

struct 재배열 효과 (RAM 절약)
field 순서: char int char int char 32 byte
field 순서: int int char char char 16 byte (50% 절약)

같은 정보를 두 배의 RAM으로 표현하는 셈입니다.

#자주 보는 함정

Packed 남용

struct __attribute__((packed)) cfg {
char a;
int b;
}; /* in-memory struct에 packed — Cortex-M0에서 fault */

Packed는 in-memory struct에는 쓰지 않습니다. wire format에만 씁니다.

Cast로 buffer를 struct로

struct frame *p = (struct frame *)buf; /* buf가 align 0이면 fault */
int v = p->len;

buffer pointer를 struct pointer로 cast하면 align이 보장되지 않습니다. memcpy(&s, buf, sizeof(s))가 안전합니다.

Bit-field 사용

struct {
unsigned a : 3;
unsigned b : 5;
unsigned c : 8;
} bf;

Bit-field는 layout이 compiler/architecture에 따라 다릅니다. wire format으로 절대 쓰지 않습니다.

sizeof를 가정

char buf[12];
struct s msg;
memcpy(buf, &msg, sizeof(buf)); /* sizeof(s)와 다를 수 있음 */

항상 sizeof(struct s)를 명시적으로 씁니다. _Static_assert로 wire size를 고정합니다.

Stack에 큰 alignment

void f(void) {
alignas(64) char buf[64]; /* stack은 16/32 byte만 보장 */
}

stack pointer가 64-byte 정렬되지 않으면 alignas가 무시될 수 있습니다. static 또는 heap으로 옮기는 편이 안전합니다.

#정리

  • C는 모든 type에 natural alignment를 요구합니다. struct에 padding이 자동으로 들어갑니다.
  • ARMv6/M0은 unaligned access에서 fault, ARMv7+는 2배 cycle을 소모합니다.
  • Field를 큰 type → 작은 type 순으로 두면 padding이 줄어듭니다.
  • _Static_assert로 layout을 컴파일 시 검증합니다.
  • packed는 wire format에만 쓰고, 접근은 memcpy로 안전화합니다.
  • Explicit alignment는 alignas(C11 표준)를 씁니다.
  • Bit-field와 layout 가정은 portability를 깹니다. wire format에 안전하지 않습니다.

다음 편은 Cache Line Alignment입니다. False sharing 회피와 SoA 변환을 다룹니다.

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  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
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  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
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