有关于__align（n），内存对齐

时间 2019-11-10

标签关于 align 内存对齐繁體版

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__alignlinux

__align 关键字指示编译器在 n 字节边界上对齐变量。c++

__align 是一个存储类修饰符。它不影响函数的类型。编程

语法

__align(n)n

其中：数组

n: 是对齐边界。数据结构

对于局部变量，n 值可为一、二、4 或 8。架构

对于全局变量，n 能够具备最大为 2 的 0x80000000 次幂的任何值。函数

__align 关键字紧靠变量名称前面放置。工具

用法

若是声明的变量的常规对齐边界小于 n，__align(n) 是很是有用的。八字节对齐方式能够显著提升 VFP 指令的性能。性能

能够将 __align 与 extern 和 static 一块儿使用。this

限制

因为 __align 是存储类修饰符，所以不能将其用于：

类型，包括 typedef 和结构定义
函数参数。

只能进行过对齐。也就是说，能够将两个字节的对象按 4 个字节对齐，而不能将 4 个字节的对象按两个字节对齐。

示例

__align(8) char buffer[128];  // buffer starts on eight-byte boundary

void foo(void)
{
    ...
    __align(16) int i; // this alignment value is not permitted for
                       // a local variable
    ...
}

__align(16) int i; // permitted as a global variable.

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一.什么是字节对齐,为何要对齐?
现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲彷佛对任何类型的变量的访问能够从任何地址开始，但实际状况是在访问特定类型变量的时候常常在特定的内存地址访问，这就须要各类类型数据按照必定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
对齐的做用和缘由：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不一样。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。好比有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其余平台可能没有这种状况，可是最多见的是若是不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。好比有些平台每次读都是从偶地址开始，若是一个int型（假设为32位系统）若是存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就能够读出这32bit，而若是存放在奇地址开始的地方，就须要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能获得该32bit数据。显然在读取效率上降低不少。

二.字节对齐对程序的影响:
    先让咱们看几个例子吧(32bit,x86环境,gcc编译器):
设结构体以下定义：
struct A
{
    int a;
    char b;
    short c;
};
struct B
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
如今已知32位机器上各类数据类型的长度以下:
char:1(有符号无符号同)
short:2(有符号无符号同)
int:4(有符号无符号同)
long:4(有符号无符号同)
float:4    double:8
那么上面两个结构大小如何呢?
结果是:
sizeof(strcut A)值为8
sizeof(struct B)的值倒是12

结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个,B也同样;按理说A,B大小应该都是7字节。
之因此出现上面的结果是由于编译器要对数据成员在空间上进行对齐。上面是按照编译器的默认设置进行对齐的结果,那么咱们是否是能够改变编译器的这种默认对齐设置呢,固然能够.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct C)值是8。
修改对齐值为1：
#pragma pack (1) /*指定按1字节对齐*/
struct D
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct D)值为7。
后面咱们再讲解#pragma pack()的做用.

三.编译器是按照什么样的原则进行对齐的?
    先让咱们看四个重要的基本概念：
1.数据类型自身的对齐值：
对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。
2.结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。
3.指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。
4.数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。
有了这些值，咱们就能够很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的前后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体自己也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度须要是对结构体有效对齐值的整数倍，结合下面例子理解)。这样就不能理解上面的几个例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，因此其有效对齐值为1，因此其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，因此有效对齐值也为4，因此只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为 2，因此有效对齐值也是2，能够存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。因此从0x0000到0x0009存放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）因此就是4，因此结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求， 0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。因此0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12;其实若是就这一个就来讲它已将知足字节对齐了, 由于它的起始地址是0,所以确定是对齐的,之因此在后面补充2个字节,是由于编译器为了实现结构数组的存取效率,试想若是咱们定义了一个结构B的数组,那么第一个结构起始地址是0没有问题,可是第二个结构呢?按照数组的定义,数组中全部元素都是紧挨着的,若是咱们不把结构的大小补充为4的整数倍,那么下一个结构的起始地址将是0x0000A,这显然不能知足结构的地址对齐了,所以咱们要把结构补充成有效对齐大小的整数倍.其实诸如:对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，这些已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的,只是由于这些类型的长度已知了,因此他们的自身对齐值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，因此，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，因此有效对齐值为2，因此顺序存放在0x000二、0x000三、0x000四、0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，因此有效对齐值为2，顺序存放
在0x000六、0x0007中，符合 0x0006%2=0。因此从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，因此C的有效对齐值为2。又8%2=0,C 只占用0x0000到0x0007的八个字节。因此sizeof(struct C)=8.

四.如何修改编译器的默认对齐值?
1.在VC IDE中，能够这样修改：[Project]|[Settings],c/c++选项卡Category的Code Generation选项的Struct Member Alignment中修改，默认是8字节。
2.在编码时，能够这样动态修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.针对字节对齐,咱们在编程中如何考虑?

    若是在编程的时候要考虑节约空间的话,那么咱们只须要假定结构的首地址是0,而后各个变量按照上面的原则进行排列便可,基本的原则就是把结构中的变量按照类型大小从小到大声明,尽可能减小中间的填补空间.还有一种就是为了以空间换取时间的效率,咱们显示的进行填补空间进行对齐,好比:有一种使用空间换时间作法是显式的插入reserved成员：
         struct A{
           char a;
           char reserved[3];//使用空间换时间
           int b;
}

reserved成员对咱们的程序没有什么意义,它只是起到填补空间以达到字节对齐的目的,固然即便不加这个成员一般编译器也会给咱们自动填补对齐,咱们本身加上它只是起到显式的提醒做用.

六.字节对齐可能带来的隐患:
代码中关于对齐的隐患，不少是隐式的。好比在强制类型转换的时候。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;
最后两句代码，从奇数边界去访问unsignedshort型变量，显然不符合对齐的规定。
在x86上，相似的操做只会影响效率，可是在MIPS或者sparc上，可能就是一个error,由于它们要求必须字节对齐.

七.如何查找与字节对齐方面的问题:
若是出现对齐或者赋值问题首先查看
1. 编译器的big little端设置
2. 看这种体系自己是否支持非对齐访问
3. 若是支持看设置了对齐与否,若是没有则看访问时须要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操做。

八.ARM下的对齐处理

from DUI0067D_ADS1_2_CompLib

3.13 type qulifiers

有部分摘自ARM编译器文档对齐部分

对齐的使用:
1.__align(num)
   这个用于修改最高级别对象的字节边界。在汇编中使用LDRD或者STRD时
   就要用到此命令__align(8)进行修饰限制。来保证数据对象是相应对齐。
   这个修饰对象的命令最大是8个字节限制,可让2字节的对象进行4字节
   对齐,可是不能让4字节的对象2字节对齐。
   __align是存储类修改,他只修饰最高级类型对象不能用于结构或者函数对象。

2.__packed
__packed是进行一字节对齐
1.不能对packed的对象进行对齐
2.全部对象的读写访问都进行非对齐访问
3.float及包含float的结构联合及未用__packed的对象将不能字节对齐
4.__packed对局部整形变量无影响
5.强制由unpacked对象向packed对象转化是未定义,整形指针能够合法定
义为packed。
     __packed int* p; //__packed int 则没有意义
6.对齐或非对齐读写访问带来问题
__packed struct STRUCT_TEST
{
char a;
int b;
char c;
} ;    //定义以下结构此时b的起始地址必定是不对齐的
         //在栈中访问b可能有问题,由于栈上数据确定是对齐访问[from CL]
//将下面变量定义成全局静态不在栈上
static char* p;
static struct STRUCT_TEST a;
void Main()
{
__packed int* q; //此时定义成__packed来修饰当前q指向为非对齐的数据地址下面的访问则能够

p = (char*)&a;
q = (int*)(p+1);

*q = 0x87654321;
/*
获得赋值的汇编指令很清楚
ldr      r5,0x20001590 ; = #0x12345678
[0xe1a00005]   mov      r0,r5
[0xeb0000b0]   bl       __rt_uwrite4 //在此处调用一个写4byte的操做函数

[0xe5c10000]   strb     r0,[r1,#0]   //函数进行4次strb操做而后返回保证了数据正确的访问
[0xe1a02420]   mov      r2,r0,lsr #8
[0xe5c12001]   strb     r2,[r1,#1]
[0xe1a02820]   mov      r2,r0,lsr #16
[0xe5c12002]   strb     r2,[r1,#2]
[0xe1a02c20]   mov      r2,r0,lsr #24
[0xe5c12003]   strb     r2,[r1,#3]
[0xe1a0f00e]   mov      pc,r14
*/

/*
若是q没有加__packed修饰则汇编出来指令是这样直接会致使奇地址处访问失败
[0xe59f2018] ldr r2,0x20001594 ; = #0x87654321
[0xe5812000] str r2,[r1,#0]
*/

//这样能够很清楚的看到非对齐访问是如何产生错误的
//以及如何消除非对齐访问带来问题
//也能够看到非对齐访问和对齐访问的指令差别致使效率问题
}

九.ARM下的边界未对齐访问的后果
from http://blog.csdn.net/alenwelkin/archive/2006/12/19/1448324.aspx

自行编写了一个程序，定义一个char型数组以下：
char p[] = {0x10, 0x20, 0x30, 0x40, 0x50, 0x60, 0x70, 0x80};

分别用long型和short型指针去指向p+3的位置，这个地址在编译后是0x10963，明显是一个对long和short来讲都不对齐的地址。
程序输出结果以下，括号里为内容，前面是地址。
/mnt ＄ ./test
l 0x10963(0x30201040), s 0x10963(0x5040), lt 0x30201040, st 0x5040

使用arm-linux-objdump工具反汇编可执行文件发现，对于short指针的引用，编译器作了特殊处理以保证其引用的正确性，而long指针没有作。

unsigned long *l = (p + 3);
    83e0: e59f3084 ldr r3, [pc, #132] ; 846c <.text+0x190>
    83e4: e50b3010 str r3, [fp, #-16]
unsigned short *s = (p + 3);
    83e8: e59f307c ldr r3, [pc, #124] ; 846c <.text+0x190>
    83ec: e50b3014 str r3, [fp, #-20]
unsigned long lt = *l;
    83f0: e51b3010 ldr r3, [fp, #-16] //变量l->r3
    83f4: e5933000 ldr r3, [r3] //l内容->r3
    83f8: e50b3018 str r3, [fp, #-24] //r3->lt
unsigned short st = *s;
    83fc: e51b3014 ldr r3, [fp, #-20] //变量s->r3
    8400: e5d32000 ldrb r2, [r3] //s内容（低位）->r2
    8404: e5d33001 ldrb r3, [r3, #1] //s内容（高位）->r3
    8408: e1823403 orr r3, r2, r3, lsl #8 //r3左移后与r2拼合成short值->r3
    840c: e54b301a strb r3, [fp, #-26] //r3中的short值(低位)->变量st低位
    8410: e1a03443 mov r3, r3, asr #8 //r3右移8位->r3
    8414: e54b3019 strb r3, [fp, #-25] //r3中的short值(高位)->变量st高位

0x30201040是怎么来的？想了半天也不明白。查阅ARM相关书籍发现，若是协处理器CP15:c1:c0中的1位和22位均为0，则ARM指令ldr的返回值是memory(addr & ~3, 4) ROR ((addr & 3) * 8)。前半句的含义是对4边界向下取整，在本例中就是0x10960，再取其内容就是 0x40302010，后半句在本例中是循环右移24位。合起来看就是0x40302010 ROR 24 ＝ 0x30201040，与本例正好吻合！

有关于__align（n） ，内存对齐

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