字節那些事兒

　　7、 如何控制字節對齊

　　控制程序的字節對齊行為是一個(gè)與編譯器相關(guān)的工作。以下編譯指示( directive )被許多編譯器認可：

　　#pragma pack(n)

　　#pragma pack()

　　任何處于這兩個(gè)編譯指示語(yǔ)句之間的數據結構，將采用 n 字節的數據對齊方式。 n 是一個(gè)可以指定的數字，取值范圍請參閱所使用編譯器的文檔，通常都會(huì )取值為 2 的冪?，F代編譯器在對程序進(jìn)行編譯時(shí)，處于效率方面的考慮，會(huì )對數據結構的內存布局使用一個(gè)默認的字節對齊值，這個(gè)值一般都可以在命令行上顯式指定。如果要在一個(gè)頭文件 / 源文件中對特定的部分指定對齊屬性，則需要上述的編譯指示。結束指示的寫(xiě)法在某些編譯器或者平臺下需要寫(xiě)成：

　　#pragma pack(pop)

　　我們用一個(gè)例子來(lái)看一下這兩個(gè)指示的實(shí)際效用，看它究竟是如何影響數據的內存排列的。假定我們有如下的數據結構定義：

　　struct S1

　　{

　　int i;

　　char c;

　　short s;

　　};

　　struct S2

　　{

　　char c;

　　int i;

　　short s;

　　};

　　這兩個(gè)結構的成員看起來(lái)是一樣的，只不過(guò)換了一下順序而已。我們使用 sizeof() 操作符來(lái)測量各自占用多少字節(除非特別指出，均在 32 位平臺上，并認為 int 占用 4 字節， char 占用 1 字節， short 占用 2 字節)。答案似乎不可思議， sizeof(S1) 的結果是 8 ，而 sizeof(S2) 卻是 12 。差異是怎么來(lái)的呢?原因就在于編譯器缺省的字節對齊設定在發(fā)生作用。

　　這里需要引入以下概念和規則：

　　概念及規則一，原生數據類(lèi)型自身對齊值。原生數據類(lèi)型即是 C/C++ 直接支持的數據類(lèi)型，也可以稱(chēng)為內建(built in )數據類(lèi)型。它們的自身對齊值分別為： char 為 1 ， short int 為 2 ， int 、 float 、 double 等為 4 ，不受符號位(即正負)的影響。

　　概念及規則二，用戶(hù)數據類(lèi)型自身對齊值。用戶(hù)數據類(lèi)型即由程序員定義的類(lèi)、結構、聯(lián)合等，也叫抽象數據類(lèi)型( ADT )。它們的自身對齊值等同于為其成員的對齊值中的最大值。

　　概念及規則三，用戶(hù)指定對齊值。程序員在編譯器命令行上的指定值，或者在 pragma pack 編譯指示中指定的值，對最終數據的影響取就近原則(顯然 pragma pack 指示會(huì )覆蓋命令行的指定)。

　　概念及規則四，有效對齊值。取數據類(lèi)型的自身對齊值與用戶(hù)指定對齊值中的較小值。此值一旦決出，則會(huì )影響到數據在內存中的布局。一個(gè)有效對齊值為 n ，表示以下事實(shí)：相關(guān)數據在內存中存放時(shí)，其起始地址的值必須可以被 n 整除 。

　　根據以上四條，可以很圓滿(mǎn)地解釋 S1 和 S2 的大小不同這一現狀。由于沒(méi)有使用 pragma pack 指示，那么編譯器(在我的測試環(huán)境下)會(huì )采用缺省的對齊值 4 。假設 S1 或者 S2 的實(shí)例將從地址 0x0000 處開(kāi)始。

　　在 S1 中，第一個(gè)成員 i 的自身對齊值為 4 ，指定對齊值(盡管是缺省的)也是 4 ，同時(shí) 0x0000 這一地址符合被 4 整除的要求，因此， i 將占據 0x0000 到 0x0003 的四個(gè)字節，下一個(gè)可用地址值為 0x0004 ;接下來(lái)的成員c 的數據類(lèi)型為 char ，自身對齊值為 1 ，指定對齊值為 4 ，取較小者仍然是 1 ， 0x0004 符合被 1 整除的要求，因此 c 將占據 0x0004 處的一個(gè)字節，下一個(gè)可用地址值為 0x0005 ;最后的一個(gè)成員 s 數據類(lèi)型為 short ，自身對齊值為 2 ，指定對齊值為 4 ，有效對齊值取 2 ，但是地址 0x0005 不能符合被 2 整除的要求，因此編譯器作相應調整，向后移動(dòng)到最近的滿(mǎn)足要求的地址處，即 0x0006 ， s 將占用 0x0006 和 0x0007 處的兩個(gè)字節，由此導致S1 的大小為 8 。

　　在地址 0x0005 處的一個(gè)字節，習慣上稱(chēng)之為填充數據( padding )。

　　同理可以輕易推出 S2 結構的大小確實(shí)是 12 。是這樣嗎?不是的。實(shí)際動(dòng)手的結果應該是 10 。那么 12 應該作何解釋?

　　我們來(lái)設想一個(gè)場(chǎng)景，程序員用 new 或者 malloc 分配一個(gè) S2 的數組。不用多，假定有兩個(gè)元素，而地址0x0000 處正好有空閑的內存可以滿(mǎn)足這一內存分配請求。我們都知道，在 C/C++ 語(yǔ)言中，數組的元素是緊鄰排放的。也就是說(shuō)，后一個(gè)元素的起始地址應該正好等于前一個(gè)元素的起始地址，并加上元素的大小。我們來(lái)檢視一下S2 的情況，它的元素大小為 10 ，它的有效對齊值是 4 (請參閱概念及規則二)，這表示任何一個(gè) S2 結構的起始地址都應該位于 4 的整數倍處?，F實(shí)的情況是，第一個(gè)元素的起始地址是 0x0000 ，第二個(gè)元素的起始地址變成了0x000A ，而后者的數值不能滿(mǎn)足被 4 整除的要求。正是為了解決這一情況，編譯器為 S2 結構在結尾處也增加了兩個(gè)字節的填充，從而滿(mǎn)足各個(gè)條件的限定。

　　pragma pack 指示非常有效，使用也比較普遍，但是對于 ARM 平臺，它有一些力所不及的地方，我們再來(lái)看一個(gè)例子。仍然用 S2 ，這一次，我們強制把它的字節對齊設定為 1 ，并同時(shí)定義了 S2 的一個(gè)全局變量 s2 。也即：

　　#pragma pack(1)

　　struct S2

　　{

　　char c;

　　int i;

　　short s;

　　} s2;

　　#pragma pop()

　　然后，在某處具有如下的數據訪(fǎng)問(wèn)：

　　int i = s2.i;

　　這條看上去稀松平常的語(yǔ)句很可能不能如所希望的那樣執行。因為對于 i 的訪(fǎng)問(wèn)其前提應該是 i 的起始地址是 4的倍數(注意，這個(gè)不是對齊規則的約束結果，而是 ARM CPU 的數據訪(fǎng)問(wèn)規則的約束結果)，但強行指定的 1 字節對齊則導致 i 的起始地址是一個(gè)奇數。

　　RVCT 編譯器為此做了特別的努力，引入了 __packed 關(guān)鍵字。此關(guān)鍵字應用到用戶(hù)定義數據結構上會(huì )導致該結構的內存布局取得與 pragma pack(1) 等同的效果，但是，更進(jìn)一步地，編譯器會(huì )把對該結構中成員的訪(fǎng)問(wèn)作適當的處理，發(fā)現不對齊的訪(fǎng)問(wèn)則會(huì )翻譯為調用適當的保證數據正確性的函數。此關(guān)鍵字也可以應用到指針上，以保證經(jīng)由指針對目標對象的訪(fǎng)問(wèn)也采用保守方式?？梢灶A料到的是，此關(guān)鍵字的使用會(huì )降低代碼執行的效率，所以需要慎用，一個(gè)很典型的使用場(chǎng)景是移植其他平臺的代碼時(shí)。以下是一些使用了此關(guān)鍵字的定義示例：

　　typedef __packed struct

　　{

　　char x; // 所有成員都會(huì )被 __packed 修飾

　　int y;

　　} X; // 5 字節的結構，自身對齊值 = 1

　　int f(X* p)

　　{

　　return p->y; // 執行一個(gè)非對齊的讀取操作

　　}

　　typedef struct

　　{

　　short x;

　　char y;

　　__packed int z; // 僅 __pack 本成員，此用法僅適用于整型

　　char a;

　　} Y; // 8 字節結構，自身對齊值 = 2(請思考原因)

　　int g(Y* p)

　　{

　　return p->z + p->x; // 僅對 z 執行非對齊讀取操作

　　}

　　需要注意的是， GCCE 編譯器沒(méi)有實(shí)現類(lèi)似的努力，它有一個(gè)和對齊有關(guān)的關(guān)鍵字： __attribute__ (packed))，該關(guān)鍵字的功效與 pragma pack(1) 類(lèi)似。

　　8、 思考 / 練習題

　　a) 位( bit )在字節中的排列，應該也有類(lèi)似字節序那樣的問(wèn)題，為什么沒(méi)有?

　　b) 自己寫(xiě)幾個(gè)結構，根據規則推斷其大小，然后寫(xiě)代碼驗證

　　c) 請查閱 RVCT 的相關(guān)文檔，學(xué)習 __align 關(guān)鍵字的含義和用法

　　d) 了解微軟公司針對 Windows Mobile 平臺的編譯器是否也具有幫助程序員自動(dòng)解決對其訪(fǎng)問(wèn)的機制

　　9、 參考資料

　　a) 《編程卓越之道》，第一卷

　　b) 《 RealView Compilation Tools - Compiler and Libraries Guide 》

　　c) ARM Information Center

　　d) http://blog.csdn.net/xhfwr/archive/2006/07/23/963793.aspx