Linux C語(yǔ)言字節(jié)對(duì)齊的那些事
最近一口君在做一個(gè)項(xiàng)目，遇到一個(gè)問(wèn)題，運(yùn)行于ARM上的threadx在與DSP通信采用消息隊(duì)列的方式傳遞消息（最終實(shí)現(xiàn)原理是中斷+共享內(nèi)存的方式），在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)threadx總是crash，于是經(jīng)過(guò)排查，是因?yàn)閭鬟f消息的結(jié)構(gòu)體沒(méi)有考慮字節(jié)對(duì)齊的問(wèn)題。
隨手整理一下C語(yǔ)言中字節(jié)對(duì)齊的問(wèn)題與大家一起分享。
一、概念
對(duì)齊跟數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置有關(guān)。如果一個(gè)變量的內(nèi)存地址正好位于它長(zhǎng)度的整數(shù)倍，他就被稱(chēng)做自然對(duì)齊。比如在32位cpu下，假設(shè)一個(gè)整型變量的地址為0x00000004，那它就是自然對(duì)齊的。
首先了解什么位、字節(jié)、字
| 名稱(chēng) | 英文名 | 含義 |
|---|---|---|
| 位 | bit | 1個(gè)二進(jìn)制位稱(chēng)為1個(gè)bit |
| 字節(jié) | Byte | 8個(gè)二進(jìn)制位稱(chēng)為1個(gè)Byte |
| 字 | word | 電腦用來(lái)一次性處理事務(wù)的一個(gè)固定長(zhǎng)度 |
字長(zhǎng)
一個(gè)字的位數(shù)，現(xiàn)代電腦的字長(zhǎng)通常為16，32， 64位。(一般N位系統(tǒng)的字長(zhǎng)是N/8字節(jié)。)
不同的CPU一次可以處理的數(shù)據(jù)位數(shù)是不同的，32位CPU可以一次處理32位數(shù)據(jù)，64位CPU可以一次處理64位數(shù)據(jù)，這里的位，指的就是字長(zhǎng)。
而所謂的字長(zhǎng)，我們有時(shí)會(huì)稱(chēng)為字（word）。在16位的CPU中，一個(gè)字剛好為兩個(gè)字節(jié)，而32位CPU中，一個(gè)字是四個(gè)字節(jié)。若以字為單位，向上還有雙字（兩個(gè)字），四字（四個(gè)字）。
二、對(duì)齊規(guī)則
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型，它的地址只要是它的長(zhǎng)度的整數(shù)倍就行了，而非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型按下面的原則對(duì)齊： 數(shù)組 ：按照基本數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)齊，第一個(gè)對(duì)齊了后面的自然也就對(duì)齊了。聯(lián)合 ：按其包含的長(zhǎng)度最大的數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)齊。結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)體中每個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型都要對(duì)齊。
三、如何限制定字節(jié)對(duì)齊位數(shù)？
1. 缺省
在缺省情況下，C編譯器為每一個(gè)變量或是數(shù)據(jù)單元按其自然對(duì)界條件分配空間。一般地，可以通過(guò)下面的方法來(lái)改變?nèi)笔〉膶?duì)界條件：
2. #pragma pack(n)
· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個(gè)字節(jié)對(duì)齊。· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對(duì)齊方式。
#pragma pack(n) 用來(lái)設(shè)定變量以n字節(jié)對(duì)齊方式。n字節(jié)對(duì)齊就是說(shuō)變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況：
- 如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿(mǎn)足默認(rèn)的對(duì)齊方式
- 如果n小于該變量的類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿(mǎn)足默認(rèn)的對(duì)齊方式。
結(jié)構(gòu)的總大小也有一個(gè)約束條件，如果n大于等于所有成員變量類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)，那么結(jié)構(gòu)的總大小必須為占用空間最大的變量占用的空間數(shù)的倍數(shù)；否則必須是n的倍數(shù)。
3. __attribute
另外，還有如下的一種方式：· __attribute((aligned (n)))，讓所作用的結(jié)構(gòu)成員對(duì)齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長(zhǎng)度大于n，則按照最大成員的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)齊。· attribute ((packed))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過(guò)程中的優(yōu)化對(duì)齊，按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對(duì)齊。
4. 匯編.align
匯編代碼通常用.align來(lái)制定字節(jié)對(duì)齊的位數(shù)。
.align:用來(lái)指定數(shù)據(jù)的對(duì)齊方式,格式如下：
- .align [absexpr1, absexpr2]
以某種對(duì)齊方式,在未使用的存儲(chǔ)區(qū)域填充值. 第一個(gè)值表示對(duì)齊方式,4, 8,16或 32. 第二個(gè)表達(dá)式值表示填充的值。
四、為什么要對(duì)齊？
操作系統(tǒng)并非一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)訪問(wèn)內(nèi)存，而是按2，4，8這樣的字長(zhǎng)來(lái)訪問(wèn)。因此，當(dāng)CPU從存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)到寄存器，IO的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通常是字長(zhǎng)。如32位系統(tǒng)訪問(wèn)粒度是4字節(jié)(bytes), 64位系統(tǒng)的是8字節(jié)。當(dāng)被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為n字節(jié)且該數(shù)據(jù)地址為n字節(jié)對(duì)齊時(shí)，那么操作系統(tǒng)就可以高效地一次定位到數(shù)據(jù)， 無(wú)需多次讀取，處理對(duì)齊運(yùn)算等額外操作。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。如果訪問(wèn)未對(duì)齊的內(nèi)存，CPU需要做兩次內(nèi)存訪問(wèn)。
字節(jié)對(duì)齊可能帶來(lái)的隱患:
代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換的時(shí)候。例如：
- unsigned int i = 0x12345678;
- unsigned char *p=NULL;
- unsigned short *p1=NULL;
- p=&i;
- *p=0x00;
- p1=(unsigned short *)(p+1);
- *p1=0x0000;
最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪問(wèn)unsignedshort型變量，顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。在x86上，類(lèi)似的操作只會(huì)影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個(gè)error,因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對(duì)齊.
五、舉例
例1：os基本數(shù)據(jù)類(lèi)型占用的字節(jié)數(shù)
首先查看操作系統(tǒng)的位數(shù)
在64位操作系統(tǒng)下查看基本數(shù)據(jù)類(lèi)型占用的字節(jié)數(shù)：
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- printf("sizeof(char) = %ld\n", sizeof(char));
- printf("sizeof(int) = %ld\n", sizeof(int));
- printf("sizeof(float) = %ld\n", sizeof(float));
- printf("sizeof(long) = %ld\n", sizeof(long));
- printf("sizeof(long long) = %ld\n", sizeof(long long));
- printf("sizeof(double) = %ld\n", sizeof(double));
- return 0;
- }
例2：結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存大小--默認(rèn)規(guī)則
考慮下面的結(jié)構(gòu)體占用的位數(shù)
- struct yikou_s
- {
- double d;
- char c;
- int i;
- } yikou_t;
執(zhí)行結(jié)果
- sizeof(yikou_t) = 16
在內(nèi)容中各變量位置關(guān)系如下
其中成員C的位置還受字節(jié)序的影響，有的可能在位置8
編譯器給我們進(jìn)行了內(nèi)存對(duì)齊，各成員變量存放的起始地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)的倍數(shù), 且結(jié)構(gòu)的大小為該結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)的倍數(shù)。
對(duì)于偏移量：變量type n起始地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)體起始地址的偏移量必須為sizeof(type(n))的倍數(shù)結(jié)構(gòu)體大?。罕仨殲槌蓡T最大類(lèi)型字節(jié)的倍數(shù)
- char: 偏移量必須為sizeof(char) 即1的倍數(shù)
- int: 偏移量必須為sizeof(int) 即4的倍數(shù)
- float: 偏移量必須為sizeof(float) 即4的倍數(shù)
- double: 偏移量必須為sizeof(double) 即8的倍數(shù)
例3：調(diào)整結(jié)構(gòu)體大小
我們將結(jié)構(gòu)體中變量的位置做以下調(diào)整：
- struct yikou_s
- {
- char c;
- double d;
- int i;
- } yikou_t;
執(zhí)行結(jié)果
- sizeof(yikou_t) = 24
各變量在內(nèi)存中布局如下：
當(dāng)結(jié)構(gòu)體中有嵌套符合成員時(shí)，復(fù)合成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址偏移量是復(fù)合成員最寬基本類(lèi)型大小的整數(shù)倍。
例4：#pragma pack(4)
- #pragma pack(4)
- struct yikou_s
- {
- char c;
- double d;
- int i;
- } yikou_t;
- sizeof(yikou_t) = 16
例5：#pragma pack(8)
- #pragma pack(8)
- struct yikou_s
- {
- char c;
- double d;
- int i;
- } yikou_t;
- sizeof(yikou_t) = 24
例6：匯編代碼
舉例：以下是截取的uboot代碼中異常向量irq、fiq的入口位置代碼：
六、匯總實(shí)力
有手懶的同學(xué)，直接貼一個(gè)完整的例子給你們：
- #include <stdio.h>
- main()
- {
- struct A {
- int a;
- char b;
- short c;
- };
- struct B {
- char b;
- int a;
- short c;
- };
- struct AA {
- // int a;
- char b;
- short c;
- };
- struct BB {
- char b;
- // int a;
- short c;
- };
- #pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對(duì)齊*/
- struct C {
- char b;
- int a;
- short c;
- };
- #pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
- #pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對(duì)齊*/
- struct D {
- char b;
- int a;
- short c;
- };
- #pragma pack ()/*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
- int s1=sizeof(struct A);
- int s2=sizeof(struct AA);
- int s3=sizeof(struct B);
- int s4=sizeof(struct BB);
- int s5=sizeof(struct C);
- int s6=sizeof(struct D);
- printf("%d\n",s1);
- printf("%d\n",s2);
- printf("%d\n",s3);
- printf("%d\n",s4);
- printf("%d\n",s5);
- printf("%d\n",s6);
- }
