為什么要內(nèi)存對(duì)齊

雖然所有的變量最后都會(huì)保存到特定的地址內(nèi)存中去，但是相應(yīng)的內(nèi)存空間必須滿足內(nèi)存對(duì)齊的要求，主要基于存在以下兩個(gè)原因：

• 硬件平臺(tái)原因：并不是所有的平臺(tái)都能夠訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)，某些硬件平臺(tái)只能夠訪問對(duì)齊的地址，否則就會(huì)出現(xiàn)硬件異常錯(cuò)誤。

• 性能原因：如果數(shù)據(jù)存放在未對(duì)齊的內(nèi)存空間中，則處理器在訪問變量時(shí)要做兩次次內(nèi)存訪問，而對(duì)齊的內(nèi)存訪問只需要一次。

上述兩個(gè)原因，第一個(gè)原因從字面意思上就能夠理解，那第二個(gè)原因是什么意思呢？假定現(xiàn)在有一個(gè) 32 位微處理器，那這個(gè)處理器訪問內(nèi)存都是按照 32 位進(jìn)行的，也就是說一次性讀取或?qū)懭攵际撬淖止?jié)。假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)處理器要讀取一個(gè)大小為 4 字節(jié)的變量，在內(nèi)存對(duì)齊的情況下，處理器是這樣進(jìn)行讀取的：

那如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)沒有按照內(nèi)存對(duì)齊的方式進(jìn)行的話，處理器就會(huì)這樣進(jìn)行讀?。?/p>

對(duì)比內(nèi)存對(duì)齊和內(nèi)存沒有對(duì)齊兩種情況我們可以明顯地看到：在內(nèi)存對(duì)齊的情況下，只需要兩個(gè)個(gè)步驟就可以將數(shù)據(jù)讀出來，首先處理器找到要讀出變量所在的地址，然后將數(shù)據(jù)讀出來。在內(nèi)存沒有對(duì)齊的情況下，卻需要以下四個(gè)步驟才能夠?qū)?shù)據(jù)取出來：

• 處理器找到要讀取變量所在的地址，也就是圖中紅色方塊所在位置。

• 由于此時(shí)內(nèi)存未對(duì)齊，處理器是 32 位的，一次性讀取或者寫入都是 4 字節(jié)，所以需要將 0-3 地址內(nèi)的數(shù)據(jù)和 4-7 地址里的數(shù)據(jù)都取出來。

• 由于 0 - 3 地址范圍的 0 地址里的數(shù)據(jù)不屬于我們要讀取的數(shù)據(jù)，因此將這一小塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，把 0 地址里的數(shù)據(jù)移出去；同理， 4 - 7 地址范圍里的數(shù)據(jù)也要進(jìn)行移位，保留 4 地址里的數(shù)據(jù)

• 合并移位之后的數(shù)據(jù)，得出結(jié)果

通過上述的分析，我們可以知道內(nèi)存對(duì)齊能夠提升性能，這也是我們要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊的原因之一。

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

對(duì)齊原則

在明白了為何要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊之后，我們來分析結(jié)構(gòu)體內(nèi)的內(nèi)存對(duì)齊，在進(jìn)行具體的實(shí)例分析前，需要給出結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊的兩條基本原則。

• 結(jié)構(gòu)體各成員變量的內(nèi)存空間的首地址必須是“對(duì)齊系數(shù)”和“變量實(shí)際長(zhǎng)度”中較小者的整數(shù)倍。

• 對(duì)于結(jié)構(gòu)體來說，在其各個(gè)數(shù)據(jù)都對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)體本身也需要對(duì)齊，即結(jié)構(gòu)體占用的總大小應(yīng)該為“對(duì)齊系數(shù)”和“最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”中較小值的整數(shù)倍。

在給定了基本原則之后，我們通過一個(gè)例子來說明結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對(duì)齊，假定當(dāng)前的處理器是 32 位的，對(duì)齊系數(shù)為4。在這里筆者選擇在上一篇文章中涉及到的一個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行解析，結(jié)構(gòu)體如下：

   

    
struct data_test
    
{
    
 char a; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 short b; /*本身大小 2 字節(jié)*/
    
 char c[2]; /*數(shù)組單個(gè)成員 1 字節(jié)*/
    
 double d; /*本身大小 8 字節(jié)*/
    
 char e; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 int f; /*本身大小 4 字節(jié)*/
    
 char g; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
}data;
   

根據(jù)我們剛剛給出的第一條對(duì)齊原則，先確定出每個(gè)變量的存儲(chǔ)位置，變量存儲(chǔ)方式是小端對(duì)齊，為了看起來更加形象，以 16 個(gè)字節(jié)作為一行來表示變量的存儲(chǔ)位置（這里所說的存儲(chǔ)位置是指相對(duì)于結(jié)構(gòu)體起始地址的偏移）。

根據(jù)第一條規(guī)則：各成員的內(nèi)存空間的首地址必須是對(duì)齊系數(shù)和變量本身大小較小者的整數(shù)倍，這里對(duì)齊系數(shù)是 4，因此變量 a 、數(shù)組 c 、變量 e 、變量 g 的首地址需要滿足 1 的倍數(shù)，變量 b 的首地址需要滿足 2 的倍數(shù)，變量 d 的首地址需要滿足 4 的倍數(shù)，變量 f 的首地址需要 4 的倍數(shù)。所以也就有了上述表格中的變量存儲(chǔ)位置。那既然結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員都已經(jīng)對(duì)齊了，為什么還存在第二條原則呢？也就是說為什么結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員已經(jīng)內(nèi)存對(duì)齊了，結(jié)構(gòu)體本身還需要對(duì)齊？下面通過一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組來說明，比如我們定義了這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組：

   

    
struct data_test
    
{
    
 char a; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 short b; /*本身大小 2 字節(jié)*/
    
 char c[2]; /*數(shù)組單個(gè)成員 1 字節(jié)*/
    
 double d; /*本身大小 8 字節(jié)*/
    
 char e; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 int f; /*本身大小 4 字節(jié)*/
    
 char g; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
}data[2];
   

我們?cè)诜胖贸蓡T存儲(chǔ)位置的時(shí)候，data[0] 按照成員對(duì)齊的原則依次存放，放到最后一個(gè)結(jié)構(gòu)體成員時(shí)，如果不考慮結(jié)構(gòu)體本身的對(duì)齊，按照數(shù)組元素是緊挨著存放的原則，那這個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組應(yīng)該是按照下圖進(jìn)行存儲(chǔ)的：

從上圖中我們可以看到雖然 data[0] 中的成員都對(duì)齊了，但是由于結(jié)構(gòu)體本身的不對(duì)齊，導(dǎo)致 data[1] 中的好多成員都不對(duì)齊了，因此，在完成了結(jié)構(gòu)體成員的內(nèi)存對(duì)齊后，我們還需要依據(jù)第二條原則：結(jié)構(gòu)體占用的總大小應(yīng)該為“對(duì)齊系數(shù)”和“最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”中較小值的整數(shù)倍，來對(duì)結(jié)構(gòu)體本身進(jìn)行對(duì)齊，因此正確的結(jié)構(gòu)體數(shù)組的存儲(chǔ)位置應(yīng)該如下圖所示：

這里需要注意的是，上述原則針對(duì)的是結(jié)構(gòu)體占用的總大小，而不是結(jié)構(gòu)體的首地址，所以，在結(jié)構(gòu)體本身還沒有對(duì)齊的情況下，data[0] 的大小是 25 個(gè)字節(jié)，但是根據(jù)上述原則，在對(duì)齊系數(shù)為 4 的前提下，結(jié)構(gòu)體大小應(yīng)該是 4 的整數(shù)倍，所以要對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行所占內(nèi)存進(jìn)行填充，因此：data[0] 最終的大小是 28 字節(jié),結(jié)構(gòu)體數(shù)組 data 的大小為 56 字節(jié)

結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員順序

通過上述分析我們可以很容易就想到，根據(jù)第一條原則，那么結(jié)構(gòu)體成員定義的先后順序會(huì)對(duì)最終結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存造成影響，比如現(xiàn)在調(diào)整結(jié)構(gòu)體 data 內(nèi)成員的定義順序，如下：

   

    
struct data_test
    
{
    
 char a; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 char c[2]; /*數(shù)組單個(gè)成員 1 字節(jié)*/
    
 char e; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 char g; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    
 short b; /*本身大小 2 字節(jié)*/
    
 int f; /*本身大小 4 字節(jié)*/
    
 double d; /*本身大小 8 字節(jié)*/
    
}data;
   

改變結(jié)構(gòu)體成員順序后的存儲(chǔ)位置如下：

通過圖片就可以看到只有一塊藍(lán)色的填充區(qū)域，在成員對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)體大小是 20 ，已經(jīng)是 4 的整數(shù)倍，已經(jīng)無須再做填充，所以調(diào)整順序后的結(jié)構(gòu)體大小為 20 個(gè)字節(jié)，相比于之前沒有改變順序之前整整減少了 8 個(gè)字節(jié)，也可以看出結(jié)構(gòu)體成員的定義順序也是需要關(guān)注的一個(gè)問題，關(guān)于結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員定義的順序應(yīng)該遵循這樣一個(gè)原則：按照長(zhǎng)度遞增的順序依次定義各個(gè)成員

如何設(shè)定對(duì)齊系數(shù)

查看默認(rèn)對(duì)齊系數(shù)

在上述我們對(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊的分析中，我們都是假定對(duì)齊系數(shù)為 4 ，實(shí)際上對(duì)于編譯器來說都有默認(rèn)的對(duì)齊系數(shù)，我們可以輸入偽指令，然后以報(bào)警信息的方式顯示當(dāng)前的對(duì)齊系數(shù)：

   

    
#pragma pack(show)
   

設(shè)置對(duì)齊系數(shù)

   

    
#pragma pack(1) /*設(shè)置一字節(jié)對(duì)齊*/
    
struct data_test
    
{
    
 char a;
    
 short b;
    
 char c[2];
    
 double d;
    
 char e;
    
 int f;
    
 char g;
    
} data;
    
#pragma pack()/*取消一字節(jié)對(duì)齊，恢復(fù)默認(rèn)對(duì)齊系數(shù)*/
   

在這里，設(shè)置1字節(jié)對(duì)齊其實(shí)也就相當(dāng)于不進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，因?yàn)槿魏蔚刂范伎梢允?1 的整數(shù)倍，最后，需要注意的是使用這種方法設(shè)置字節(jié)對(duì)齊，要在想要取消一字節(jié)對(duì)齊的地方使用偽指令 #pragma pack() 取消一字節(jié)對(duì)齊，否則后面所定義的結(jié)構(gòu)體會(huì)繼續(xù)采用剛剛所設(shè)置的對(duì)齊方式。除了采用上述這樣設(shè)置一字節(jié)對(duì)齊的方式取消內(nèi)存對(duì)齊，也可以采用下面的方式取消字節(jié)對(duì)齊：

   

    
struct __attribute__((packed)) data_test2
    
{
    
 char a;
    
 short b;
    
 char c[2];
    
 double d;
    
 char e;
    
 int f;
    
 char g;
    
}data;
   

這種方式相對(duì)于上述方法來講，不用執(zhí)行取消操作，作用域只是本結(jié)構(gòu)體，不會(huì)影響其他結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊方式。最后，取消字節(jié)對(duì)齊的結(jié)構(gòu)體（或者說是按照 1 字節(jié)對(duì)齊的結(jié)構(gòu)體）data 的大小就是 19 個(gè)字節(jié)，即將結(jié)構(gòu)體內(nèi)的所有成員的字節(jié)大小相加即可。

總結(jié)

了解結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對(duì)齊，從而在定義結(jié)構(gòu)體成員時(shí)按照最優(yōu)的順序進(jìn)行定義，對(duì)于 RAM 資源比較緊缺的 MCU 來講，也是非常重要的。同時(shí)，在筆者的上篇文章《union 的概念及在嵌入式編程中的應(yīng)用中》，所講到的運(yùn)用 union 和 struct 嵌套來便捷地解析數(shù)據(jù)，也應(yīng)該取消字節(jié)對(duì)齊（因?yàn)樯掀恼伦詈笠粋€(gè)例子結(jié)構(gòu)體成員大小都是一個(gè)字節(jié)，內(nèi)存對(duì)齊取消與否都不影響成員的存儲(chǔ)位置，所以沒取消）。

參考資料 [1] https://aticleworld.com/data-alignment-and-structure-padding-bytes/

[2] https://blog.51cto.com/zhangyu/673792

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“wenzi嵌入式軟件”，作者wenzid

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