分类： LINUX
2011-10-14 14:10:25
Arm结构体gcc内存边界对齐问题
这段时间移植公司的linux i386程序到Arm linux平台，本以为是件工作量很小的事情，以为只要改几个驱动程序就OK了，没想到在应用程序这一块卡了很长时间。其中最烦的事情就莫过于结构体内存边界对齐了。搞了这么久，终于终结了一些小经验。
默认情况下，在32位cpu里，gcc对于结构体的对齐方式是按照四个字节来对齐的。看以下结构体
typedef struct pack{
char a;
int b;
short c;
}pack;
对于Pack结构体，默认情况下在arm/386平台下（别的平台没试过）sizeof(pack)=12,求解过程如下:
sizeof(char)=1;
下一个int b,由于是四个字节,要求b的开始地址从32的整数倍开始,故需要在a后面填充3个没用的字节,记为dump(3),sizeof(b)=4,此时相当于结构体扩充为
char a;
char dump(3);
int b;
看short c,现在c的前面有8个字节,c是两个字节,c的开始地址是从16的整数开始,在b前面不需再加东西.此时对于结构体来说,sizeof(pack)=10,但是这不是最终结果,最后总的字节数也要能被4个字节整除,所以还需在short c后面再加
dump(2);
故总的字节数为12.
当然以上说的只是简单的情况,下面谈谈Arm,x86在gcc里关于内存边界字节对齐的区别.对于同样的结构体,在386下
#prama pack(1)
后,sizeof(pack)=1 4 2=7
而在arm下同样的操作sizeof(pack)=1 4 2 1=8,即虽然b根a之间不要填充但总的长度必须要是4的整数倍.
在ARM 下要使结构体按指定字节对齐,可行的方法
1.在makefile里加-fpack-struct 选项,这样的话对所有的结构按一字节对齐.
不得不说,确实有那么些质量较差的程序可能需要你部分自然对齐,部分一字 节对齐,此时
2. typedef struct pack{
}__attribute__((packed))
可利用__attribute__属性
当然最后的方式,还是自己去看ARM体系结构与gcc编译选项了。
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浅谈结构体对齐问题
#include
int main() {
struct ms {
double x;
char a;
int y;
};
// }__attribute__((packed));
printf("%d\n", sizeof(struct ms));
return 0;
}
linux上运行，结果为16；如果采用注释的那一行，则结果为13
原文：： http://dev.csdn.net/article/48/48195.shtm
什么是内存对齐
考虑下面的结构：
struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的，假设c1的地址是0，那么s的地址就应该是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。
可是，我们在Visual c/c++ 6中写一个简单的程序：
struct foo a;
printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
运行，输出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
为什么会这样？这就是内存对齐而导致的问题。
为什么会有内存对齐
以下内容节选自《Intel Architecture 32 Manual》。
字，双字，和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。（对字，双字，和四字来说，自然边界分别是偶数地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
无论如何，为了提高程序的性能，数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。
一个字或双字操作数跨越了4字节边界，或者一个四字操作数跨越了8字节边界，被认为是未对齐的，从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的，能够在一个总线周期中被访问。
某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐，这些指令将会产生一个通用保护异常（#GP）。双四字的自然边界是能够被16 整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问（不会产生通用保护异常），然而，需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。
编译器对内存对齐的处理
缺省情况下，c/c++编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此，上面的程序输出就变成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
编译器将未对齐的成员向后移，将每一个都成员对齐到自然边界上，从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间（成员之间有空洞），但提高了性能。
也正是这个原因，我们不可以断言sizeof(foo) == 8。在这个例子中，sizeof(foo) == 12。
如何避免内存对齐的影响
那么，能不能既达到提高性能的目的，又能节约一点空间呢？有一点小技巧可以使用。比如我们可以将上面的结构改成：
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
这样一来，每个成员都对齐在其自然边界上，从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中，sizeof(bar) == 8。
这个技巧有一个重要的作用，尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变，从而造成这个结构在你的发行的DLL中使用某种对齐方式，而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。
比如，foo结构，我们的DLL使用默认对齐选项，对齐为
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同时sizeof(foo) == 12。
而第三方将对齐选项关闭，导致
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同时sizeof(foo) == 8。
如何使用c/c++中的对齐选项
vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字节边界对齐，相应的，/Zpn表示以n字节边界对齐。n字节边界对齐的意思是说，一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上，取它们中的最小值。也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
实际上，1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。
/Zpn选项是应用于整个工程的，影响所有的参与编译的结构。
要使用这个选项，可以在vc6中打开工程属性页，c/c++页，选择Code Generation分类，在Struct member alignment可以选择。
要专门针对某些结构定义使用对齐选项，可以使用#pragma pack编译指令。指令语法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n )
意义和/Zpn选项相同。比如：
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()
栈内存对齐
我们可以观察到，在vc6中栈的对齐方式不受结构成员对齐选项的影响。（本来就是两码事）。它总是保持对齐，而且对齐在4字节边界上。
验证代码
#include
struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()
int main(int argc, char* argv[])
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
struct foo a;
struct bar b;
struct foo_pack p;
printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);
printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);
printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);
printf("sizeof foo is %d\n", sizeof(foo));
printf("sizeof bar is %d\n", sizeof(bar));
printf("sizeof foo_pack is %d\n", sizeof(foo_pack));
return 0;
}
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界条件分配空间；各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。在缺省情况下，c编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间
例如，下面的结构各成员空间分配情况
struct test {
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求 4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。
现在你知道怎么回事了吧？
更改c编译器的缺省分配策略
一般地，可以通过下面的两种方法改变缺省的对界条件：
· 使用伪指令#pragma pack ([n])
· 在编译时使用命令行参数
#pragma pack ([n])伪指令允许你选择编译器为数据分配空间所采取的对界策略：
例如，在使用了#pragma pack (1)伪指令后，test结构各成员的空间分配情况就是按照一个字节对齐了
#pragma pack(push) //保存对齐状态
#pragma pack(1)
#pragma pack(pop)
1 ANSI C规定
ANSI C规定一种结构类型的大小是它所有字段的大小以及字段之间或字段尾部的填充区大小之和。
填充区就是为了使结构体字段满足内存对齐要求而额外分配给结构体的空间。
那么结构体本身有对齐要求，ANSI C标准规定结构体类型的对齐要求不能比它所有字段中要求最严格的那个宽松，可以更严格。
2 WIN32和Linux平台下的对齐基本规则
许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k
(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。
Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80x86)在默认情况下采用如下的对齐规则:
任何基本数据类型T的对齐模数就是T的大小，即sizeof(T)。比如对于double类型(8字节)，就要求该类型数据的地址总是8的倍数，
而char类型数据(1字节)则可以从任何一个地址开始。
Linux下的GCC奉行的是另外一套规则(在资料中查得，并未验证，如错误请指正):
任何2字节大小(包括单字节吗?)的数据类型(比如short)的对齐模数是2，而其它所有超过2字节的数据类型(比如long,double)
都以4为对齐模数。
3 vc6中对齐处理
vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字节边界对齐，相应的，/Zpn表示以n字节边界对齐。
n字节边界对齐的意思是说，一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上，取它们中的最小值。
也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
实际上，1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。
要使用这个选项，可以在vc6中打开工程属性页，c/c++页，选择Code Generation分类，在Struct member alignment可以选择。
/Zpn选项是应用于整个工程的，影响所有的参与编译的结构。该缺省/Zp 紧凑值为/Zp8，也就是说，缺省是8字节对齐。
要专门针对某些结构定义使用对齐选项，可以使用#pragma pack编译指令。
#pragma pack(push) //保存对齐状态
#pragma pack(1) // 1 bytes对齐
typedef struct
{
double dValue1;
char u8Value2;
int u32Value3;
} ASampleStructor;
#pragma pack(pop)//恢复对齐状态
上例中，size值为13，说明1字节对齐后，该结构总长为13字节。去掉对齐后，为16字节。
4 ARM平台中的对齐
在ARM平台的编译器中，没有提供象“#pragma pack”这么丰富的带参数对齐指令，只有一个关键字“__packed”。
__packed 限定符将所有有效类型的对齐边界设置为 1，如果一个结构没有这个限定符，默认向表数能力最强的那个数据类型对齐。
typedef __packed struct
{
double dValue1;
char u8Value2;
int u32Value3;
} ASampleStructor;
上例中，size值为13，说明1字节对齐后，该结构总长为13字节。去掉__packed对齐后，为16字节。
5 一种与对齐相关的可随时运行在VC环境或ARM（Keil）环境下的定义
我们时常会把嵌入式平台上的代码拿到PC环境中去测试，这时环境的差异将使代码移植变得困难。
下面这种结构，将会使移植变得非常轻松。
#ifdef WIN32
#define __packed //在VC环境下，将此关键字定义为空
#pragma pack(push) //保存对齐状态
#pragma pack(1) // 1 bytes对齐
#endif
typedef __packed struct
{
double dValue1;
char u8Value2;
int u32Value3;
} ASampleStructor;
#ifdef WIN32
#pragma pack(pop)//恢复对齐状态
#endif
这样，无论是ARM还是VC，都可以编译，代码的同步将非常简单。
不过呢，还有一种方法更为简单，可以使代码运行在ARM(Keil)或VC环境下。
#pragma pack(push,1)
typedef struct
{
double dValue1;
char u8Value2;
int u32Value3;
} ASampleStructor;
#pragma pack(pop)
