정렬 제약이란?

아키텍처에서 alignment restriction(정렬 제약)이란, 메모리 주소에서 특정 데이터 유형이 저장될 수 있는 주소의 정렬을 제한하는 규칙을 의미합니다. 이는 성능을 최적화하고 하드웨어의 효율성을 높이기 위해 도입된 개념입니다.

정렬은 데이터가 메모리에 저장될 때 특정 크기의 경계(주로 2, 4, 8, 16바이트 등)에 맞춰 저장되는 것을 말합니다. 예를 들어, 4바이트 크기의 데이터(예: int형 데이터)가 메모리에서 4의 배수인 주소에 저장되도록 하는 것이 정렬입니다.

정렬 제약이 중요한 이유:

1. 메모리 접근 속도: 대부분의 현대 CPU는 메모리에서 데이터를 읽을 때 정렬된 주소에서 데이터를 더 빠르게 읽어올 수 있습니다. 정렬되지 않은 데이터는 여러 번의 메모리 접근이 필요할 수 있어 성능 저하를 초래합니다.
2. 버스 폭: 메모리 버스의 폭은 정해져 있기 때문에, 데이터가 정렬된 주소에 있으면 한 번에 읽을 수 있지만, 그렇지 않으면 두 번 이상의 접근이 필요할 수 있습니다.
3. 하드웨어 복잡성 감소: 정렬된 데이터를 처리하는 하드웨어는 간단한 구조로 구현할 수 있어, 설계 및 제조 비용을 절감할 수 있습니다.

정렬 제약의 예:

• 32비트 시스템에서는 int(4바이트)가 4바이트 경계에 맞춰 저장되어야 하고, double(8바이트)은 8바이트 경계에 맞춰 저장되어야 합니다.
• 만약 정렬이 맞지 않으면 CPU가 데이터 처리를 위해 추가적인 작업을 해야 하며, 이를 unaligned access라고 합니다. 일부 CPU는 unaligned access를 지원하지만, 성능상 불이익이 있습니다.

정렬 제약에서 메모리 경계 크기 결정 요인:

정렬 제약에서 메모리 경계의 크기는 데이터 타입의 크기, CPU 아키텍처, 그리고 메모리 버스 폭에 따라 결정됩니다.

1. 데이터 타입의 크기:
   • 데이터 타입에 따라 정렬될 때 요구되는 경계가 다릅니다. 예를 들어:
     • char(1바이트)는 1바이트 경계에 맞춰 정렬됩니다.
     • int(4바이트)는 4바이트 경계에 맞춰 정렬됩니다.
     • double(8바이트)는 8바이트 경계에 맞춰 정렬됩니다. 데이터의 크기가 클수록 메모리 경계의 크기도 커집니다.
2. CPU 아키텍처:
   • CPU의 아키텍처에 따라 워드 크기가 다르며, 이 워드 크기에 따라 메모리 경계의 크기도 결정됩니다.
     • 예를 들어, 32비트 시스템에서는 4바이트(32비트) 경계를 기본으로 하고, 64비트 시스템에서는 8바이트(64비트) 경계를 기본으로 할 수 있습니다. CPU는 메모리에서 데이터를 효율적으로 읽기 위해 일정 크기의 경계를 설정하며, 이를 기반으로 정렬을 요구합니다.
3. 버스 폭:
   • 메모리 버스의 폭이 넓을수록 데이터를 한 번에 더 많이 전송할 수 있습니다. 따라서 메모리 경계는 버스 폭에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 64비트 버스는 8바이트 단위로 데이터를 전송하므로, 8바이트 경계를 유지하는 것이 효율적입니다.

정렬 제약을 준수하지 않으면 프로그램 성능 저하나 메모리 액세스 오류가 발생할 수 있습니다. 따라서 컴파일러나 프로그래머는 이런 정렬 규칙을 따르는 것이 중요합니다.

정렬되지 않은 데이터에 여러 번 접근이 필요한 이유

정렬되지 않은 데이터는 여러 번의 접근이 필요한 이유는 데이터가 메모리 경계를 넘어서 저장되기 때문입니다. 메모리 시스템은 데이터를 읽을 때 일정한 크기(예: 4바이트, 8바이트 등)의 단위로 읽고 쓰도록 최적화되어 있습니다. 하지만 데이터가 정렬되지 않으면 이 단위 경계를 넘어서게 되어 한 번의 메모리 접근으로 데이터를 모두 읽을 수 없게 됩니다. 이로 인해 다음과 같은 상황이 발생합니다.

구체적인 이유: