Linux C語言字節(jié)對齊的那些事

作者：佚名 2021-08-17 11:45:44

隨手整理一下C語言中字節(jié)對齊的問題與大家一起分享。一起來看一下吧。

最近一口君在做一個項(xiàng)目，遇到一個問題，運(yùn)行于ARM上的threadx在與DSP通信采用消息隊列的方式傳遞消息（最終實(shí)現(xiàn)原理是中斷+共享內(nèi)存的方式），在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)threadx總是crash，于是經(jīng)過排查，是因?yàn)閭鬟f消息的結(jié)構(gòu)體沒有考慮字節(jié)對齊的問題。

隨手整理一下C語言中字節(jié)對齊的問題與大家一起分享。

一、概念

對齊跟數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置有關(guān)。如果一個變量的內(nèi)存地址正好位于它長度的整數(shù)倍，他就被稱做自然對齊。比如在32位cpu下，假設(shè)一個整型變量的地址為0x00000004，那它就是自然對齊的。

首先了解什么位、字節(jié)、字

名稱	英文名	含義
位	bit	1個二進(jìn)制位稱為1個bit
字節(jié)	Byte	8個二進(jìn)制位稱為1個Byte
字	word	電腦用來一次性處理事務(wù)的一個固定長度

字長

一個字的位數(shù)，現(xiàn)代電腦的字長通常為16，32， 64位。(一般N位系統(tǒng)的字長是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。

而所謂的字長，我們有時會稱為字（word）。在16位的CPU中，一個字剛好為兩個字節(jié)，而32位CPU中，一個字是四個字節(jié)。若以字為單位，向上還有雙字（兩個字），四字（四個字）。

二、對齊規(guī)則

對于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，它的地址只要是它的長度的整數(shù)倍就行了，而非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型按下面的原則對齊：　　數(shù)組：按照基本數(shù)據(jù)類型對齊，第一個對齊了后面的自然也就對齊了。聯(lián)合：按其包含的長度最大的數(shù)據(jù)類型對齊。結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)體中每個數(shù)據(jù)類型都要對齊。

三、如何限制定字節(jié)對齊位數(shù)？

1. 缺省

在缺省情況下，C編譯器為每一個變量或是數(shù)據(jù)單元按其自然對界條件分配空間。一般地，可以通過下面的方法來改變?nèi)笔〉膶鐥l件：

2. #pragma pack(n)

· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個字節(jié)對齊。· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對齊方式。

#pragma pack(n) 用來設(shè)定變量以n字節(jié)對齊方式。n字節(jié)對齊就是說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)，那么偏移量必須滿足默認(rèn)的對齊方式
如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認(rèn)的對齊方式。

結(jié)構(gòu)的總大小也有一個約束條件，如果n大于等于所有成員變量類型所占用的字節(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)成員對齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長度大于n，則按照最大成員的長度來對齊。· attribute ((packed))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過程中的優(yōu)化對齊，按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對齊。

4. 匯編.align

匯編代碼通常用.align來制定字節(jié)對齊的位數(shù)。

.align:用來指定數(shù)據(jù)的對齊方式,格式如下：

.align [absexpr1, absexpr2]

以某種對齊方式,在未使用的存儲區(qū)域填充值. 第一個值表示對齊方式,4, 8,16或 32. 第二個表達(dá)式值表示填充的值。

四、為什么要對齊？

操作系統(tǒng)并非一個字節(jié)一個字節(jié)訪問內(nèi)存，而是按2，4，8這樣的字長來訪問。因此，當(dāng)CPU從存儲器讀數(shù)據(jù)到寄存器，IO的數(shù)據(jù)長度通常是字長。如32位系統(tǒng)訪問粒度是4字節(jié)(bytes), 64位系統(tǒng)的是8字節(jié)。當(dāng)被訪問的數(shù)據(jù)長度為n字節(jié)且該數(shù)據(jù)地址為n字節(jié)對齊時，那么操作系統(tǒng)就可以高效地一次定位到數(shù)據(jù)，無需多次讀取，處理對齊運(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齊。如果訪問未對齊的內(nèi)存，CPU需要做兩次內(nèi)存訪問。

字節(jié)對齊可能帶來的隱患:

代碼中關(guān)于對齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的時候。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unsignedshort型變量，顯然不符合對齊的規(guī)定。在x86上，類似的操作只會影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個error,因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對齊.

五、舉例

例1：os基本數(shù)據(jù)類型占用的字節(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)存對齊，各成員變量存放的起始地址相對于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量類型所占用的字節(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型所占用的字節(jié)數(shù)的倍數(shù)。

對于偏移量：變量type n起始地址相對于結(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)體大小：必須為成員最大類型字節(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，復(fù)合成員相對于結(jié)構(gòu)體首地址偏移量是復(fù)合成員最寬基本類型大小的整數(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)對齊*/  
struct C {  
    char b;  
    int a;  
    short c;  
};  
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/  
#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對齊*/  
struct D {  
    char b;  
    int a;  
    short c;  
};  
#pragma pack ()/*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/  
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);  
}