分类： C/C++
2009-07-30 11:17:03
一.什么是字节对齐,为什么要对齐?
现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一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。
对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。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。比如有些架构的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.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果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。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，
那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要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得到该32bit数
据。显然在读取效率上下降很多。
二.编译器是按照什么样的原则进行对齐的?
先让我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.数据成员和结构体的有效对齐值：数据成员(数据类型)和数据结构的自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。(数据成员对齐了数据结构自然也就对齐了)
有了这些值，我们就可以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先后顺序来排放的。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，结构体本身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需要是对结构体有效对齐值的
整数倍，结合下面例子理解)。这样就不难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，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为
4，所以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，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从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）所以就是4，所以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。所以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;其实如果就这一个就来说它已将满足字节对齐了,
因为它的起始地址是0,因此肯定是对齐的,之所以在后面补充2个字节,是因为编译器为了实现结构数组的存取效率,试想如果我们定义了一个结构B的数组,那
么第一个结构起始地址是0没有问题,但是第二个结构呢?按照数组的定义,数组中所有元素都是紧挨着的,如果我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,这显然不能满足结构的地址对齐了,因此我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
是因为这些类型的长度已知了,所以他们的自身对齐值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
/*指定按2字节对齐*/
__align(2) struct C
{
char b;
int a;
short c;
};*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，所以，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，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、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，所以有效对齐值为2，顺序存放
在0x0006、0x0007中，符合
0x0006%2=0。所以从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，所以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。所以sizeof(struct C)=8.
三.在ADS编译器中的实例.
#pragma pack(push) //保存对齐状态
//设定为4字节对齐
__align(4) struct test
{
char m1;
double m4;
int m3;
};
以上结构的大小为16，下面分析其存储情况，首先为m1分配空间，其偏移量为0，满足我们自己设定的对齐方式（4字节对齐），m1占用1个字节。接着开
始为m4分配空间，这时其偏移量为1，需要补足3个字节，这样使偏移量满足为n=4的倍数（因为sizeof(double)大于n）,m4占用8个字
节。接着为m3分配空间，这时其偏移量为12，满足为4的倍数，m3占用4个字节。这时已经为所有成员变量分配了空间，共分配了16个字节，满足为n的倍
数。如果把上面的 __align(4) struct test 改为 __align(16) struct test
，那么我们可以得到结构的大小为24。
=========
__packed typedef struct _test
{
char a;
short c;
int d;
} test;
char buff[8] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9a, 0xab, 0xbc, 0xcd};
test *p = (test *)buff;
v32 = p->d; //这里的v32借用上面的定义；
貌似多了个限定为__packed的struct，以此来造成不对齐的状况，看不出多大区别嘛。可是运行一下的话，就会发现这里的结果是正
ADS生成的汇编代码吧。
v32 = q->d;
[0xe2890003] add r0,r9,#3
[0xeb000088] bl __rt_uread4
[0xe1a05000] mov r5,r0
看到这里的那条"bl __rt_uread4"的指令了吧。对ARM指令有一定了解的都知道bl其实就是一个函数调用。所以，这里的代
自己提供的__rt_uread4函数，该函数完成的操作就是读取四个字节。ADS提供了类似的一系列函数，针对signed/unsigned，以及
写入操作。
估计看到这里，大家会问，如果没有__packed限定符呢？猜对了，没有__packed限定符，那么编译器会对上面的情况pending，
所在的位置是4字节对齐的（编译期信息，而非实际运行期信息）。所以就回到类似最初的例子了。
那么，还有一种情况，就是在有__packed的情况下，而struct里的字段都是符合对齐要求的，那么生成的代码会是怎么样的呢？
看，和上面的这段汇编代码，唯一的区别就是第一条指令把#3改成了#4，而后面仍旧调用__rt_uread4函数。嗯，这样结论就出
编译器会在使用__packed的情况下，自动对其中的4字节/2字节访问添加特殊代码，以保证其结果的正确。
好了，这个关于这个问题描述得差不多了，可能的话，尽量倚赖编译器的这些功能，而对于编译器无能为力的部分，就要靠万分小心了
p.s. 其实这里有很多事情可以来尽量预防此类问题，比如嵌入式项目往往喜欢自己管理内存分配，那么自己写的内存分配函数
字节对齐位置上的……
