谈谈对齐 - c-c++ - embeded linux.htm

講述ARM下的字符數據對齊方式的內容

                        short, int, 
                        double等。复合类型由基本类型组成，例如结构。本文将基本类型的变量记作基本变量，将复合类型的变量记作复合变量或结构变量。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">基本变量的长度目前有1、2、4、8字节。以后可能会有更大的基本变量。嵌入式环境通常不支持浮点，常见的长度是1、2、4字节。</P>
                        <H4 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">0.2.2 
                        变量的地址</H4>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">从地址看，变量可以分成有确定地址的变量和没有确定地址的变量。所谓“有确定地址”就是指在程序运行前就有确定的地址。而“没有确定地址”的变量，它们的地址是在运行时确定的。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">全局变量和静态变量都有确定地址。局部变量和动态分配的变量没有确定地址。本文将有确定地址的变量记作有址变量。</P>
                        <H2 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">1 
                        变量对齐</H2>
                        <H3 
                        style="BORDER-RIGHT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-RIGHT: 0.6em; BORDER-TOP: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-LEFT: 0.6em; FONT-SIZE: 12px; PADDING-BOTTOM: 0.6em; MARGIN: 6px 0px 0px; BORDER-LEFT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-TOP: 0.6em; BORDER-BOTTOM: rgb(204,204,204) 1px dotted; FONT-FAMILY: 'Microsoft yahei', verdana, sans-serif">1.1 
                        没有确定地址的变量</H3>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">局部变量是从堆栈分配的，编译器通常会保证每个局部变量的地址都在4n边界上。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">动态分配的变量是从堆上分配。堆的实现与标准库和操作系统有关。在一些简单的嵌入式系统中，我们需要自己实现动态内存分配，这时我们要保证每次分配的内存块地址都在4n边界上，以避免后面谈到的数据对齐问题。</P>
                        <H3 
                        style="BORDER-RIGHT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-RIGHT: 0.6em; BORDER-TOP: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-LEFT: 0.6em; FONT-SIZE: 12px; PADDING-BOTTOM: 0.6em; MARGIN: 6px 0px 0px; BORDER-LEFT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-TOP: 0.6em; BORDER-BOTTOM: rgb(204,204,204) 1px dotted; FONT-FAMILY: 'Microsoft yahei', verdana, sans-serif">1.2 
                        有确定地址的变量</H3>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">有址变量的地址是在链接时确定的。编译器通常有设置变量对齐方式的编译选项，我们通常使用该选项的默认值。在默认情况下，编译器会按照默认方式对齐放置有址变量。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">所谓按“按默认方式对齐”，就是将长度为1的基本变量放在1n边界上。将长度为2的基本变量放在2n边界上。将长度为4的基本变量放在4n边界上，依此类推。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">每个结构变量总是由一个个基本变量构成。结构变量按照该结构中最长的基本变量对齐。如果某个结构基本变量的最大长度是1，编译器就可以把这个结构放在1n边界上。如果某个结构基本变量的最大长度是4，编译器就应该把这个结构放在4n边界上。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">那么结构中的成员变量又是怎样对齐的？</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px"><SPAN 
                        class=Apple-style-span style="FONT-SIZE: 14px"><SPAN 
                        class=Apple-style-span 
                        style="FONT-SIZE: 12px; LINE-HEIGHT: 18px">
                        <H3 
                        style="BORDER-RIGHT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-RIGHT: 0.6em; BORDER-TOP: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-LEFT: 0.6em; FONT-SIZE: 12px; PADDING-BOTTOM: 0.6em; MARGIN: 6px 0px 0px; BORDER-LEFT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-TOP: 0.6em; BORDER-BOTTOM: rgb(204,204,204) 1px dotted; FONT-FAMILY: 'Microsoft yahei', verdana, sans-serif">1.3 
                        变量对齐会带来什么麻烦？</H3>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">我在变量对齐问题上吃过一次亏，可以作为本节的一个例子。不过要理解这个例子，读者必须知道ARM 
                        CPU的一个特点：就是长度为m的基本变量必须放在mn边界上，否则读写时会发生数据访问错误，其中m=2或4。这就是第3节要介绍的数据对齐。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">事情是这样，我定义了几个缓冲区（大数组），然后动态分配这些内存。我的错误在于将这些数组定义为字节数组。我的分配算法是按块分配，每个数据块的大小都是4的整数倍。读者能猜到错误产生的原因了吗？</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">由于我把缓冲区定义为字节数组，编译器就可以把它们放在1n边界。如果缓冲区的起始地址是奇数地址，从缓冲区分配的内存块的起始地址都是奇数地址。如果这些内存块被用于需要按2或4字节对齐的变量，读写时就会发生数据访问错误。如果编译器恰好把这些缓冲区放在4n边界上，问题就不会暴露出来。所以前一次编译可能是好的，但是下一次编译就会发生莫名其妙的错误。调试程序与侦破案件差不多，离犯罪现场越远的凶手就越难发现。在我透过各种表象找到根源之前，吃点苦头是难免的。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">解决问题的方法很简单，将缓冲区定义为unsigned 
                        int（下文记作uint32）的数组，编译器自然会把它们放到4n边界。在嵌入式系统中，我们经常要为任务定义堆栈。这些堆栈通常都是uint32类型的数组。你知道为什么要把它们定义成uint32数组，而不能定义成字节数组了吗？</P>
                        <H2 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">2 
                        结构对齐</H2>
                        <H3 
                        style="BORDER-RIGHT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-RIGHT: 0.6em; BORDER-TOP: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-LEFT: 0.6em; FONT-SIZE: 12px; PADDING-BOTTOM: 0.6em; MARGIN: 6px 0px 0px; BORDER-LEFT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-TOP: 0.6em; BORDER-BOTTOM: rgb(204,204,204) 1px dotted; FONT-FAMILY: 'Microsoft yahei', verdana, sans-serif">2.1 
                        基本长度</H3>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">为了描述方便，我们定义一个基本长度的概念。一个基本变量的基本长度就是它的长度，一个结构变量的基本长度就是结构成员中基本变量的最大长度。前面说过：在默认情况下，结构变量就是按照其基本长度对齐的。</P>
                        <H3 
                        style="BORDER-RIGHT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-RIGHT: 0.6em; BORDER-TOP: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-LEFT: 0.6em; FONT-SIZE: 12px; PADDING-BOTTOM: 0.6em; MARGIN: 6px 0px 0px; BORDER-LEFT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-TOP: 0.6em; BORDER-BOTTOM: rgb(204,204,204) 1px dotted; FONT-FAMILY: 'Microsoft yahei', verdana, sans-serif">2.2 
                        对齐</H3>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">在默认情况下，可以认为结构的成员按照默认方式对齐，即长度为m的基本变量放在mn边界上，其中m=1,2,4或8。因为要把成员对齐，结构的各成员间就可能出现填充字节，结构的大小可能大于各成员大小之和。例如：</P><PRE>typedef struct St1Tag
{
	char ch1;
	int num1;
	short sh1;
	short sh2;
	char ch2;
} St1;
</PRE>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">这个结构的基本长度是4，所以这个结构的变量要放在4n边界。成员num1的基本长度为4，所以也要放在4n边界。成员ch1从4n边界开始，只占1个字节，所以在ch1和num1之间有3个填充字节。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">在对齐时，编译器会将结构长度取整到基本长度的整数倍。这样以该结构为基本类型的数组既可以连续排列，每个元素又可以对齐放置。所以，sizeof(St1)的值是16，在St1的最后一个成员ch2后面还有3个填充字节。</P>
                        <H3 
                        style="BORDER-RIGHT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-RIGHT: 0.6em; BORDER-TOP: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-LEFT: 0.6em; FONT-SIZE: 12px; PADDING-BOTTOM: 0.6em; MARGIN: 6px 0px 0px; BORDER-LEFT: rgb(204,204,204) 1px dotted; PADDING-TOP: 0.6em; BORDER-BOTTOM: rgb(204,204,204) 1px dotted; FONT-FAMILY: 'Microsoft yahei', verdana, sans-serif">2.3 
                        紧缩</H3>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">各编译器都支持结构的紧缩，即连续排列结构的各成员变量，各成员变量之间没有任何填充字节。这时，结构的大小等于各成员变量大小的和。紧缩结构的变量可以放在1n边界，即任意地址边界。</P>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">在gcc中可以这样定义紧缩结构：</P><PRE>typedef struct St2Tag
{
	St1 st1;
	char ch2;
}
__attribute__ ((packed)) St2;
</PRE>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">armcc是这样的：</P><PRE>typedef __packed struct St2Tag
{
	St1 st1;
	char ch2;
} St2;
</PRE>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">VC的写法最麻烦：</P><PRE>#pragma pack(1)
typedef struct St2Tag
{
	St1 st1;
	char ch2;
} St2;
#pragma pack()
</PRE>
                        <P 
                        style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; FONT-SIZE: 14px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 1em 0px 0.5em; TEXT-INDENT: 2em; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 0px">如果要同时支持gcc、armcc、VC平台，可以把代码写成这样：</P><PRE>#ifdef __GNUC__
#define GNUC_PACKED	__attribute__ ((packed))
#else
#define GNUC_PACKED
#endif

#ifdef __arm
#define ARM_PACKED	__packed
#else
#define ARM_PACKED
#endif

#ifdef WIN32
#pragma pack(1)
#endif