Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
#한 줄 요약
“Cache line align =
alignas(64)한 줄로 false sharing을 막는다.” 핵심은 element 사이에도 padding을 넣어 hot 변수가 같은 line에 끼지 않게 하는 것입니다.
#어떤 상황에서 쓰나
멀티코어 SMP에서 카운터 두 개를 두 코어가 각각 증가시키는데도 throughput이 코어 하나일 때보다 느려지는 경우가 있습니다. 두 변수가 같은 cache line 안에 있으면 코어 간 cache line이 ping-pong을 치면서 매 store마다 coherency traffic이 발생합니다. Cortex-A72에서 10x 가까이 떨어지는 사례가 흔합니다.
DMA buffer를 cacheable 영역에 두면 line 경계가 어긋난 곳에서 invalidate가 옆 line까지 건드리면서 다른 코드의 hot data를 날립니다. 이런 상황을 만나면 alignment가 가장 먼저 의심해야 할 항목입니다.
#핵심 개념
두 hot counter가 같은 line에 있을 때와 line이 분리된 경우의 차이를 그림으로 먼저 봅니다.
Cache line은 CPU가 한 번에 fetch·invalidate하는 단위입니다. Cortex-A53/A72와 Intel/AMD x86은 64B, Apple M1과 IBM POWER는 128B, Cortex-M7은 32B입니다. 같은 line에 있는 두 변수는 멀티코어 관점에서 하나의 변수처럼 움직입니다.
/* C++17 */#include <new>constexpr size_t CACHE_LINE = std::hardware_destructive_interference_size;
/* Runtime */long line_size = sysconf(_SC_LEVEL1_DCACHE_LINESIZE);칩별 line 크기를 기억해두는 편이 좋습니다.
| Architecture | Line size |
|---|---|
| ARM Cortex-M7 | 32 B |
| ARM Cortex-A53/A72 | 64 B |
| Intel/AMD x86 | 64 B |
| Apple M1/M2 | 128 B |
| IBM POWER | 128 B |
#코드 / 실제 사용 예
#alignas로 struct 시작 정렬
#include <cstddef>#include <atomic>
struct alignas(64) hot_data { std::atomic<int> counter;};
hot_data g_data; /* &g_data % 64 == 0 보장 */C11도 _Alignas(64), GCC·Clang은 __attribute__((aligned(64)))를 지원합니다.
#Element 사이 padding으로 false sharing 차단
struct counters { alignas(64) std::atomic<int> a; char pad_a[64 - sizeof(std::atomic<int>)];
alignas(64) std::atomic<int> b; char pad_b[64 - sizeof(std::atomic<int>)];};
static_assert(sizeof(counters) == 128, "padded counters");alignas만 쓰면 struct 시작만 정렬되고 element 사이는 그대로 붙습니다. 카운터 두 개가 한 line에 들어가면 padding이 의미를 잃습니다.
#SPSC ring buffer head/tail 분리
template<typename T, size_t N>struct spsc_ring { alignas(64) std::atomic<size_t> head; char pad_h[64 - sizeof(std::atomic<size_t>)];
alignas(64) std::atomic<size_t> tail; char pad_t[64 - sizeof(std::atomic<size_t>)];
alignas(64) T buf[N];};Producer는 head만 쓰고 consumer는 tail만 씁니다. 두 변수가 서로 다른 line에 있으면 coherency traffic이 0에 수렴합니다.
#AoS → SoA 변환
/* AoS — 한 particle을 다 fetch */struct particle { float x, y, z, vx, vy, vz, mass; };particle parts[N];
for (int i = 0; i < N; i++) { parts[i].x += parts[i].vx * dt; /* y, z, mass까지 같은 line에 fetch — 60% 낭비 */}
/* SoA — x, vx만 fetch */struct particles_soa { alignas(64) float x[N]; alignas(64) float y[N]; alignas(64) float vx[N]; alignas(64) float vy[N];};
for (int i = 0; i < N; i++) { parts.x[i] += parts.vx[i] * dt;}SoA는 SIMD 친화이기도 합니다. NEON vld1q_f32(&parts.x[i])로 4개 float을 한 번에 load할 수 있습니다.
#Hot/Cold 분리
struct guest { /* Hot — 매 frame 접근 */ alignas(64) int id; int active; int last_login; char pad[64 - 3 * sizeof(int)];
/* Cold — 화면에 표시할 때만 */ char email[128]; char address[256];};자주 접근하는 필드는 line 하나에 모으고, 드물게 보는 필드는 별도 line으로 밀어둡니다. Hot loop이 한 line만 가져가도록 만드는 것이 목표입니다.
#Per-CPU counter
struct counter_per_cpu { alignas(64) atomic_long value;} per_cpu_counters[NUM_CORES];
void inc(int cpu) { atomic_fetch_add(&per_cpu_counters[cpu].value, 1);}
long sum_all(void) { long s = 0; for (int i = 0; i < NUM_CORES; i++) s += atomic_load(&per_cpu_counters[i].value); return s;}코어별로 다른 line을 쓰면 false sharing이 사라지고 코어 수에 거의 선형으로 scaling됩니다.
#Linux 커널 매크로
#include <linux/cache.h>
struct foo { int a; int b ____cacheline_aligned; /* 새 line */};
static struct bar ____cacheline_aligned g_bar;커널은 ____cacheline_aligned를 표준 매크로로 씁니다. Per-CPU data와 hot field에 광범위하게 적용되어 있습니다.
#측정 / 성능 비교
Cortex-A72 quad core에서 atomic counter 두 개를 두 thread가 1억 번 증가시킨 결과입니다.
| 구조 | 시간 | throughput |
|---|---|---|
| 같은 line에 a, b | 7.8 s | 26 M ops/s |
| alignas(64)만 (시작) | 7.4 s | 27 M ops/s |
| element 사이 padding | 0.9 s | 222 M ops/s |
False sharing 제거가 8배 이상 차이를 만듭니다. Intel Xeon에서는 보통 10배 수준까지 벌어집니다.
NEON aligned vs misaligned load (Cortex-A72)aligned vld1q_f32 1 cycle/loadmisaligned vld1q_f32 2 cycle/load (cross-line)ARM Cortex-A는 misalign을 허용하지만 cross-line transaction이 발생하면 두 배가 듭니다. 정렬은 공짜에 가까운 최적화입니다.
#자주 보는 함정
alignas만 쓰고 element 정렬을 잊은 경우
struct foo { alignas(64) int a; int b; /* a와 같은 line — padding 없음 */};다음 element에도 alignas를 붙이거나 명시적 padding을 넣어야 합니다.
Stack 변수에 큰 alignment 가정
void func(void) { alignas(64) int x; /* stack은 16/32B만 보장하는 경우 많음 */}GCC의 -mstackrealign을 켜거나 static·heap으로 옮기는 편이 안전합니다.
32B line 칩에 64 alignment
/* Cortex-M7 line = 32 B */alignas(64) int x; /* 메모리 두 배 낭비 */칩별 line 크기를 확인하고 그 단위로 맞추는 것이 좋습니다.
__attribute__((packed))남용
struct { char c; int i;} __attribute__((packed)); /* i가 misaligned → Cortex-M0/ARMv6 fault */Packed는 전송 프로토콜용에만 쓰고 일반 in-memory struct는 natural alignment를 유지합니다.
DMA buffer 정렬 누락
uint8_t buf[1024]; /* alignment 1 — neighbor line 영향 */SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)buf, 1024);DMA buffer는 반드시 cache line 단위로 정렬해야 invalidate가 옆 line의 hot data를 건드리지 않습니다.
#정리
alignas(64)는 struct 시작만 정렬하므로 element 사이에도 padding이 필요합니다.- False sharing 제거는 SMP에서 흔히 8~10배 throughput을 회복시킵니다.
- AoS를 SoA로 바꾸면 cache 효율과 SIMD 친화성이 동시에 좋아집니다.
- Hot/cold 분리는 hot loop이 line 하나만 fetch하도록 만드는 가장 단순한 기법입니다.
- Per-CPU counter는 line 단위 분리만으로 코어 수에 선형 scaling을 얻습니다.
- Cortex-M7은 32B line, Apple M1은 128B line이므로 칩별 size를 확인해야 합니다.
- Linux 커널은
____cacheline_aligned를 표준으로 사용합니다.
다음 편은 DMA Allocator입니다.
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