ARM字節對齊問(wèn)題詳解

現代計算機中內存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類(lèi)型的變量的訪(fǎng)問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，但實(shí)際情況是在訪(fǎng)問(wèn)特定類(lèi)型變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內存地址訪(fǎng)問(wèn)，這就需要各種類(lèi)型數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對齊。 對齊的作用和原因：各個(gè)硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定類(lèi)型的數據只能從某些特定地址開(kāi)始存取。比如有些架構的CPU在訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行對齊的變量的時(shí)候會(huì )發(fā)生錯誤,那么在這種架構下編程必須保證字節對齊.其他平臺可能沒(méi)有這種情況，但是最常見(jiàn)的是如果不按照適合其平臺要求對數據存放進(jìn)行對齊，會(huì )在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開(kāi)始，如果一個(gè)int型（假設為32位系統）如果存放在偶地址開(kāi)始的地方，那么一個(gè)讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開(kāi)始的地方，就需要2個(gè)讀周期，并對兩次讀出的結果的高低字節進(jìn)行拼湊才能得到該32bit數據。顯然在讀取效率上下降很多。

二.字節對齊對程序的影響:

先讓我們看幾個(gè)例子吧(32bit,x86環(huán)境,gcc編譯器):

設結構體如下定義：

struct A{int a;char b;short c; };

struct B { char b;int a;short c; };

現在已知32位機器上各種數據類(lèi)型的長(cháng)度如下:

char:1(有符號無(wú)符號同) short:2(有符號無(wú)符號同) int:4(有符號無(wú)符號同) long:4(有符號無(wú)符號同) float:4 double:8

那么上面兩個(gè)結構大小如何呢?

結果是: sizeof(strcut A)值為8 sizeof(struct B)的值卻是12 結構體A中包含了4字節長(cháng)度的int一個(gè)，1字節長(cháng)度的char一個(gè)和2字節長(cháng)度的short型數據一個(gè),B也一樣;按理說(shuō)A,B大小應該都是7字節。 之所以出現上面的結果是因為編譯器要對數據成員在空間上進(jìn)行對齊。

上面是按照編譯器的默認設置進(jìn)行對齊的結果,那么我們是不是可以改變編譯器的這種默認對齊設置呢,當然可以.

例如: #pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/ struct C { char b; int a; short c; }; #pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/ sizeof(struct C)值是8。

修改對齊值為1： #pragma pack (1) /*指定按1字節對齊*/ struct D { char b; int a; short c; }; #pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/ sizeof(struct D)值為7。

后面我們再講解#pragma pack()的作用.

三.編譯器是按照什么樣的原則進(jìn)行對齊的?

先讓我們看四個(gè)重要的基本概念：

1.數據類(lèi)型自身的對齊值： 對于char型數據，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類(lèi)型，其自身對齊值為4，單位字節。

2.結構體或者類(lèi)的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個(gè)值。

3.指定對齊值：#pragma pack (value)時(shí)的指定對齊值value。

4.數據成員、結構體和類(lèi)的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個(gè)值。 有 了這些值，我們就可以很方便的來(lái)討論具體數據結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來(lái)決定數據存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是表示“對齊在N上”，也就是說(shuō)該數據的"存放起始地址%N=0".而數據結構中的數據變量都是按定義的先后順序來(lái)排放的。第一個(gè)數據變量的起始地址就是數據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長(cháng)度需要是對結構體有效對齊值的整數倍，結合下面例子理解)。這樣就不難理解上面的幾個(gè)例子的值了。

例子分析：

分析例子B；

struct B { char b; int a; short c; };

假 設B從地址空間0x0開(kāi)始排放。該例子中沒(méi)有定義指定對齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認為4。第一個(gè)成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指定對齊值4小，所以其有效對齊值為1，所以其存放地址0x0符合0x0%1=0.第二個(gè)成員變量a，其自身對齊值為4，所以有效對齊值也為4，所以只能存放在起始地址為0x4到0x7這四個(gè)連續的字節空間中，復核0x4%4=0,且緊靠第一個(gè)變量。第三個(gè)變量c,自身對齊值為2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x8到0x9這兩個(gè)字節空間中，符合0x8%2=0。所以從0x0到0x9存放的都是B內容。再看數據結構B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這里是b）所以就是4，所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求，0x9到0x0=10字節，（10＋2）％4＝0。所以0x0A到0xB也為結構體B所占用。故B從0x0到0xB共有12個(gè)字節,sizeof(struct B)=12;其實(shí)如果就這一個(gè)就來(lái)說(shuō)它已將滿(mǎn)足字節對齊了, 因為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在后面補充2個(gè)字節,是因為編譯器為了實(shí)現結構數組的存取效率,試想如果我們定義了一個(gè)結構B的數組,那么第一個(gè)結構起始地址是0沒(méi)有問(wèn)題,但是第二個(gè)結構呢?按照數組的定義,數組中所有元素都是緊挨著(zhù)的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數倍,那么下一個(gè)結構的起始地址將是0x0A,這顯然不能滿(mǎn)足結構的地址對齊了,因此我們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍.其實(shí)諸如:對于char型數據，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類(lèi)型，其自身對齊值為4，這些已有類(lèi)型的自身對齊值也是基于數組考慮的,只是因為這些類(lèi)型的長(cháng)度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.

同理,分析上面例子C： #pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/ struct C { char b; int a; short c; }; #pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/ 第 一個(gè)變量b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，所以，其有效對齊值為1，假設C從0x0開(kāi)始，那么b存放在0x0，符合0x0%1=0;第二個(gè)變量，自身對齊值為4，指定對齊值為2，所以有效對齊值為2，所以順序存放在0x2、0x3、0x4、0x5四個(gè)連續字節中，符合0x2%2=0。第三個(gè)變量c的自身對齊值為2，所以有效對齊值為2，順序存放 在0x6、0x7中，符合0x6%2=0。所以從0x0到0x07共八字節存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4，所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C只占用0x0到0x7的八個(gè)字節。所以sizeof(struct C)=8.

四.如何修改編譯器的默認對齊值?

1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project][Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的StructMember Alignment中修改，默認是8字節。 2.在編碼時(shí)，可以這樣動(dòng)態(tài)修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.針對字節對齊,我們在編程中如何考慮?

如果在編程的時(shí)候要考慮節約空間的話(huà),那么我們只需要假定結構的首地址是0,然后各個(gè)變量按照上面的原則進(jìn)行排列即可,基本的原則就是把結構中的變量按照類(lèi)型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補空間.還有一種就是為了以空間換取時(shí)間的效率,我們顯示的進(jìn)行填補空間進(jìn)行對齊,比如:有一種使用空間換時(shí)間做法是顯式的插入reserved成員： struct A{ char a; char reserved[3];//使用空間換時(shí)間 int b; }

reserved成員對我們的程序沒(méi)有什么意義,它只是起到填補空間以達到字節對齊的目的,當然即使不加這個(gè)成員通常編譯器也會(huì )給我們自動(dòng)填補對齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.

六.字節對齊可能帶來(lái)的隱患:

代碼中關(guān)于對齊的隱患，很多是隱式的。比如在強制類(lèi)型轉換的時(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=0x0; 最后兩句代碼，從奇數邊界去訪(fǎng)問(wèn)unsignedshort型變量，顯然不符合對齊的規定。 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,因為它們要求必須字節對齊.

七.如何查找與字節對齊方面的問(wèn)題:

如果出現對齊或者賦值問(wèn)題首先查看 1. 編譯器的big little端設置 2. 看這種體系本身是否支持非對齊訪(fǎng)問(wèn) 3. 如果支持看設置了對齊與否,如果沒(méi)有則看訪(fǎng)問(wèn)時(shí)需要加某些特殊的修飾來(lái)標志其特殊訪(fǎng)問(wèn)操作。

八.相關(guān)文章:轉自http://blog.csdn.net/goodluckyxl/archive/2005/10/17/506827.aspx

ARM下的對齊處理from DUI0067D_ADS1_2_CompLib3.13 type qulifiers有部分摘自ARM編譯器文檔對齊部分 對齊的使用:

1.__align(num) 這個(gè)用于修改最高級別對象的字節邊界。在匯編中使用LDRD或者STRD時(shí) 就要用到此命令__align(8)進(jìn)行修飾限制。來(lái)保證數據對象是相應對齊。 這個(gè)修飾對象的命令最大是8個(gè)字節限制,可以讓2字節的對象進(jìn)行4字節 對齊,但是不能讓4字節的對象2字節對齊。 __align是存儲類(lèi)修改,他只修飾最高級類(lèi)型對象不能用于結構或者函數對象。

2.__packed __packed是進(jìn)行一字節對齊

1.不能對packed的對象進(jìn)行對齊

2.所有對象的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)都進(jìn)行非對齊訪(fǎng)問(wèn)

3.float及包含float的結構聯(lián)合及未用__packed的對象將不能字節對齊

4.__packed對局部整形變量無(wú)影響

5.強制由unpacked對象向packed對象轉化是未定義,整形指針可以合法定義為packed。 __packed int* p; //__packed int 則沒(méi)有意義

6.對齊或非對齊讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)帶來(lái)問(wèn)題

__packed struct STRUCT_TEST { char a; int b; char c; } ; //定義如下結構此時(shí)b的起始地址一定是不對齊的

//在棧中訪(fǎng)問(wèn)b可能有問(wèn)題,因為棧上數據肯定是對齊訪(fǎng)問(wèn)[from CL]

//將下面變量定義成全局靜態(tài)不在棧上

static char* p;

static struct STRUCT_TEST a;

void Main() { __packed int* q; //此時(shí)定義成__packed來(lái)修飾當前q指向為非對齊的數據地址下面的訪(fǎng)問(wèn)則可以

p = (char*)&a;

q = (int*)(p+1);
*q = 0x87654321;/* 得到賦值的匯編指令很清楚

ldr r5,0x21590 ; = #0x1234567

[0xe1a05] movr0,r5

[0xeb0b0] bl __rt_uwrite4 //在此處調用一個(gè)寫(xiě)4byte的操作函數

[0xe5c10] strb r0,[r1,#0] //函數進(jìn)行4次strb操作然后返回保證了數據正確的訪(fǎng)問(wèn)

[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 */ /* 如果q沒(méi)有加__packed修飾則匯編出來(lái)指令是這樣直接會(huì )導致奇地址處訪(fǎng)問(wèn)失敗

[0xe59f2018] ldrr2,0x21594 ; = #0x87654321

[0xe5812] strr2,[r1,#0] */ //這樣可以很清楚的看到非對齊訪(fǎng)問(wèn)是如何產(chǎn)生錯誤的 //以及如何消除非對齊訪(fǎng)問(wèn)帶來(lái)問(wèn)題 //也可以看到非對齊訪(fǎng)問(wèn)和對齊訪(fǎng)問(wèn)的指令差異導致效率問(wèn)題 }