arm 結(jié)構(gòu)體對齊問題

Arm結(jié)構(gòu)體gcc內(nèi)存邊界對齊問題
這段時(shí)間移植公司的linux i386程序到Arm linux平臺，本以為是件工作量很小的事情，以為只要改幾個(gè)驅(qū)動程序就OK了，沒想到在應(yīng)用程序這一塊卡了很長時(shí)間。其中最煩的事情就莫過于結(jié)構(gòu)體內(nèi)存邊界對齊了。搞了這么久，終于終結(jié)了一些小經(jīng)驗(yàn)。

默認(rèn)情況下，在32位cpu里，gcc對于結(jié)構(gòu)體的對齊方式是按照四個(gè)字節(jié)來對齊的。看以下結(jié)構(gòu)體

typedef struct pack{
char a;
int b;
short c;
}pack;

對于Pack結(jié)構(gòu)體，默認(rèn)情況下在arm/386平臺下（別的平臺沒試過）sizeof(pack)=12,求解過程如下:

sizeof(char)=1;

下一個(gè)int b,由于是四個(gè)字節(jié),要求b的開始地址從32的整數(shù)倍開始,故需要在a后面填充3個(gè)沒用的字節(jié),記為dump(3),sizeof(b)=4,此時(shí)相當(dāng)于結(jié)構(gòu)體擴(kuò)充為

char a;
char dump(3);
int b;

看short c,現(xiàn)在c的前面有8個(gè)字節(jié),c是兩個(gè)字節(jié),c的開始地址是從16的整數(shù)開始,在b前面不需再加?xùn)|西.此時(shí)對于結(jié)構(gòu)體來說,sizeof(pack)=10,但是這不是最終結(jié)果,最后總的字節(jié)數(shù)也要能被4個(gè)字節(jié)整除,所以還需在short c后面再加

dump(2);

故總的字節(jié)數(shù)為12.

當(dāng)然以上說的只是簡單的情況,下面談?wù)凙rm,x86在gcc里關(guān)于內(nèi)存邊界字節(jié)對齊的區(qū)別.對于同樣的結(jié)構(gòu)體,在386下

#prama pack(1)

后,sizeof(pack)=1 4 2=7

而在arm下同樣的操作sizeof(pack)=1 4 2 1=8,即雖然b根a之間不要填充但總的長度必須要是4的整數(shù)倍.

在ARM 下要使結(jié)構(gòu)體按指定字節(jié)對齊,可行的方法

1.在makefile里加-fpack-struct 選項(xiàng),這樣的話對所有的結(jié)構(gòu)按一字節(jié)對齊.

不得不說,確實(shí)有那么些質(zhì)量較差的程序可能需要你部分自然對齊,部分一字 節(jié)對齊,此時(shí)

2. typedef struct pack{

}__attribute__((packed))

可利用__attribute__屬性

當(dāng)然最后的方式,還是自己去看ARM體系結(jié)構(gòu)與gcc編譯選項(xiàng)了。
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淺談結(jié)構(gòu)體對齊問題
#include

int main() {
struct ms {
double x;
char a;
int y;
};
// }__attribute__((packed));

printf("%d/n", sizeof(struct ms));
return 0;
}

linux上運(yùn)行，結(jié)果為16；如果采用注釋的那一行，則結(jié)果為13
原文：：http://dev.csdn.net/article/48/48195.shtm
什么是內(nèi)存對齊

考慮下面的結(jié)構(gòu)：

struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};

假設(shè)這個(gè)結(jié)構(gòu)的成員在內(nèi)存中是緊湊排列的，假設(shè)c1的地址是0，那么s的地址就應(yīng)該是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，我們在Visual c/c++ 6中寫一個(gè)簡單的程序：

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);
運(yùn)行，輸出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。

為什么會這樣？這就是內(nèi)存對齊而導(dǎo)致的問題。

為什么會有內(nèi)存對齊

以下內(nèi)容節(jié)選自《Intel Architecture 32 Manual》。
字，雙字，和四字在自然邊界上不需要在內(nèi)存中對齊。（對字，雙字，和四字來說，自然邊界分別是偶數(shù)地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
無論如何，為了提高程序的性能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（尤其是棧）應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；然而，對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
一個(gè)字或雙字操作數(shù)跨越了4字節(jié)邊界，或者一個(gè)四字操作數(shù)跨越了8字節(jié)邊界，被認(rèn)為是未對齊的，從而需要兩次總線周期來訪問內(nèi)存。一個(gè)字起始地址是奇數(shù)但卻沒有跨越字邊界被認(rèn)為是對齊的，能夠在一個(gè)總線周期中被訪問。
某些操作雙四字的指令需要內(nèi)存操作數(shù)在自然邊界上對齊。如果操作數(shù)沒有對齊，這些指令將會產(chǎn)生一個(gè)通用保護(hù)異常（#GP）。雙四字的自然邊界是能夠被16 整除的地址。其他的操作雙四字的指令允許未對齊的訪問（不會產(chǎn)生通用保護(hù)異常），然而，需要額外的內(nèi)存總線周期來訪問內(nèi)存中未對齊的數(shù)據(jù)。

編譯器對內(nèi)存對齊的處理

缺省情況下，c/c++編譯器默認(rèn)將結(jié)構(gòu)、棧中的成員數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)存對齊。因此，上面的程序輸出就變成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
編譯器將未對齊的成員向后移，將每一個(gè)都成員對齊到自然邊界上，從而也導(dǎo)致了整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸變大。盡管會犧牲一點(diǎn)空間（成員之間有空洞），但提高了性能。
也正是這個(gè)原因，我們不可以斷言sizeof(foo) == 8。在這個(gè)例子中，sizeof(foo) == 12。

如何避免內(nèi)存對齊的影響

那么，能不能既達(dá)到提高性能的目的，又能節(jié)約一點(diǎn)空間呢？有一點(diǎn)小技巧可以使用。比如我們可以將上面的結(jié)構(gòu)改成：

struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
這樣一來，每個(gè)成員都對齊在其自然邊界上，從而避免了編譯器自動對齊。在這個(gè)例子中，sizeof(bar) == 8。

這個(gè)技巧有一個(gè)重要的作用，尤其是這個(gè)結(jié)構(gòu)作為API的一部分提供給第三方開發(fā)使用的時(shí)候。第三方開發(fā)者可能將編譯器的默認(rèn)對齊選項(xiàng)改變，從而造成這個(gè)結(jié)構(gòu)在你的發(fā)行的DLL中使用某種對齊方式，而在第三方開發(fā)者哪里卻使用另外一種對齊方式。這將會導(dǎo)致重大問題。
比如，foo結(jié)構(gòu)，我們的DLL使用默認(rèn)對齊選項(xiàng)，對齊為
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同時(shí)sizeof(foo) == 12。
而第三方將對齊選項(xiàng)關(guān)閉，導(dǎo)致
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同時(shí)sizeof(foo) == 8。

如何使用c/c++中的對齊選項(xiàng)

vc6中的編譯選項(xiàng)有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字節(jié)邊界對齊，相應(yīng)的，/Zpn表示以n字節(jié)邊界對齊。n字節(jié)邊界對齊的意思是說，一個(gè)成員的地址必須安排在成員的尺寸的整數(shù)倍地址上或者是n的整數(shù)倍地址上，取它們中的最小值。也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
實(shí)際上，1字節(jié)邊界對齊也就表示了結(jié)構(gòu)成員之間沒有空洞。
/Zpn選項(xiàng)是應(yīng)用于整個(gè)工程的，影響所有的參與編譯的結(jié)構(gòu)。
要使用這個(gè)選項(xiàng)，可以在vc6中打開工程屬性頁，c/c++頁，選擇Code Generation分類，在Struct member alignment可以選擇。

要專門針對某些結(jié)構(gòu)定義使用對齊選項(xiàng)，可以使用#pragma pack編譯指令。指令語法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n )
意義和/Zpn選項(xiàng)相同。比如：

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()

棧內(nèi)存對齊

我們可以觀察到，在vc6中棧的對齊方式不受結(jié)構(gòu)成員對齊選項(xiàng)的影響。（本來就是兩碼事）。它總是保持對齊，而且對齊在4字節(jié)邊界上。

驗(yàn)證代碼

#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;
}
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------在結(jié)構(gòu)中，編譯器為結(jié)構(gòu)的每個(gè)成員按其自然對界條件分配空間；各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)結(jié)構(gòu)的地址相同。在缺省情況下，c編譯器為每一個(gè)變量或是數(shù)據(jù)單元按其自然對界條件分配空間

例如，下面的結(jié)構(gòu)各成員空間分配情況

struct test {
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　結(jié)構(gòu)的第一個(gè)成員x1，其偏移地址為0，占據(jù)了第1個(gè)字節(jié)。第二個(gè)成員x2為short類型，其起始地址必須2字節(jié)對界，因此，編譯器在x2和x1之間填充了一個(gè)空字節(jié)。結(jié)構(gòu)的第三個(gè)成員x3和第四個(gè)成員x4恰好落在其自然對界地址上，在它們前面不需要額外的填充字節(jié)。在test結(jié)構(gòu)中，成員x3要求 4字節(jié)對界，是該結(jié)構(gòu)所有成員中要求的最大對界單元，因而test結(jié)構(gòu)的自然對界條件為4字節(jié)，編譯器在成員x4后面填充了3個(gè)空字節(jié)。整個(gè)結(jié)構(gòu)所占據(jù)空間為12字節(jié)。

現(xiàn)在你知道怎么回事了吧？

更改c編譯器的缺省分配策略
　　一般地，可以通過下面的兩種方法改變?nèi)笔〉膶鐥l件：
　　· 使用偽指令#pragma pack ([n])
　　· 在編譯時(shí)使用命令行參數(shù)
#pragma pack ([n])偽指令允許你選擇編譯器為數(shù)據(jù)分配空間所采取的對界策略：

　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　
　　例如，在使用了#pragma pack (1)偽指令后，test結(jié)構(gòu)各成員的空間分配情況就是按照一個(gè)字節(jié)對齊了
#pragma pack(push) //保存對齊狀態(tài)
#pragma pack(1)

#pragma pack(pop)