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

typedef ARM_PACKED struct St2Tag
{
	St1 st1;
	char ch2;
}
GNUC_PACKED St2;
#ifdef WIN32
#pragma pack()
#endif
</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">其中：__GNUC__是gcc的预定义宏，__arm__是ARM编译器的预定义宏，可以用它们识别当前的编译器。</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">2.4 
                        全局设置</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VC中，有的程序员习惯设置整个工程的struct 
                        member 
                        alignment，这对应于命令行选项“/Zpi”，其中i=1,2,4,8,16。如果将这个值设为1，工程中所有结构都是紧缩排列。紧缩排列会增大代码量，降低结构访问效率。我们应该仅在必要的时候使用紧缩结构。</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">“/Zp1”是紧缩排列，那么“/Zp2”，“/Zp4”等选项是怎样排列的呢？</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">设选项“/Zpi”中设定的长度是i，设某个结构成员的基本长度是m，则该结构成员按照m和i中较小的值对齐。例如：如果我们设置了“/Zp2”，则基本长度不大于2的成员按照基本长度对齐，基本长度大于2的成员按照2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">其实，我们不应该使用“/Zp2”这么奇怪的选项，除非有非如此不可的理由。</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">2.5 
                        紧缩结构的用途</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">其实最常用的结构对齐选项就是：默认对齐和紧缩。在两个程序，或者两个平台之间传递数据时，我们通常会将数据结构设置为紧缩的。这样不仅可以减小通信量，还可以避免对齐带来的麻烦。假设甲乙双方进行跨平台通信，甲方使用了“/Zp2”这么奇怪的对齐选项，而乙方的编译器不支持这种对齐方式，那么乙方就可以理解什么叫欲哭无泪了。</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">当我们需要一个字节一个字节访问结构数据时，我们通常都会希望结构是紧缩的，这样就不必考虑哪个字节是填充字节了。我们把数据保存到非易失设备时，通常也会采用紧缩结构，既减小存储量，也方便其它程序读出。</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">2.6 
                        细节</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">最后记录一个小细节。gcc编译器和VC编译器都支持在紧缩结构中包含非紧缩结构，例如前面例子中的St2可以包含非紧缩的St1。但对于ARM编译器而言，紧缩结构包含的其它结构必须是紧缩的。如果紧缩的St2包含了非紧缩的St1，编译时就会报错：</P><PRE>error:  #1031: Definition of "struct St1Tag" in packed "struct St1T2g" must be __packed</PRE><PRE><SPAN class=Apple-style-span style="FONT-SIZE: 12px"><SPAN class=Apple-style-span style="FONT-FAMILY: verdana; WHITE-SPACE: normal"><H2 style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">3 数据对齐</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">3.1 CISC和RISC</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">CPU从指令集的特点上可以分为两类：CISC和RISC。CISC和RISC分别是复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）的缩写。</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">CPU的工作可以看作以下步骤的反复循环：</P><UL style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 5px 0px 5px 35px; PADDING-TOP: 0px; LIST-STYLE-TYPE: none"><LI style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 2px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 2px; LIST-STYLE-TYPE: disc">step 1: 取指令<LI style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 2px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 2px; LIST-STYLE-TYPE: disc">step 2: 取数据<LI style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 2px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 2px; LIST-STYLE-TYPE: disc">step 3: 执行指令<LI style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 2px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 2px; LIST-STYLE-TYPE: disc">step 4: 输出结果</LI></UL><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">CISC CPU支持很多寻址模式，因此取数据的时间是不确定的。 RISC CPU的最大特点是简化了指令的寻址模式，除了Load/Store指令外，其它指令都采用寄存器寻址，即从寄存器读写数据。这种设计使取数据的时间相对稳定，可以简化指令流水线的设计。</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">一般而言，RISC架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。</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">3.2 对齐数据访问</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">RISC CPU的Load/Store指令要求数据是对齐的。长度为4的数据应放在4n边界上，长度为2的数据应放在2n边界上。以ARM CPU的Load为例：</P><PRE>LDR       R5,[R4]
LDRSH     R7,[R6]
LDRB      R9,[R8]
</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">LDR、LDRSH、LDRB分别从存储器读取一个字、半字和字节，放到指定寄存器。例如“LDR R5,[R4]”就是从R4指向的存储单元中读一个字（长度为4），放到R5中。 LDR要求数据地址在4n边界上，否则就会发生错误。LDRSH要求数据地址在2n边界上，否则就会发生错误。</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">发生什么错误呢？这与具体的CPU有关，在ARM7TDMI上，非对齐访问会导致程序跳到数据访问错误的处理向量，即地址0x00000010处。在ARM920T上，LDR指令可能返回错误的数据。</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">CISC的CPU支持非对齐的数据读取。</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">3.3 例子</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">我们来看一个例子:</P><PRE>// 例子1
void test(void)
{
	char a[] = {1,2,3,4,5};
	int *pi, i;
	
	printf("&amp;a[1]=%p\n", &amp;a[1]);
	pi = (int *)&amp;a[1];
	i = *pi;
	printf("%08X\n", i);
}
</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">关键是这句：</P><PRE>	i = *pi;
</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">我们知道地址pi指向的4个字节依次是：0x02,0x03,0x04,0x05。在小尾的CPU上，我们期待的输出是05040302。让我们看看这段代码在不同平台的运行效果。</P><H4 style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">3.3.1 PC/Windows</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">输出结果是：</P><PRE>&amp;a[1]=0012FF25
05040302
</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">符合我们的预期，也说明PC的CPU支持非对齐的数据读取。</P><H4 style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">3.3.2 PC/Linux</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">输出结果是：</P><PRE>&amp;a[1]=0xbfa0c36c
05040302
</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">值得注意的是gcc编译器将局部变量a放在了1n边界（0xbfa0c36b）上。我们希望pi是一个奇数地址，将测试代码修改为：</P><PRE>// 例子2
void test(void)
{
        int a[] = {0x04030201, 0x08070605};
        int *pi, i;

        pi = (int *)&amp;((char *)&amp;a)[1];
        printf("pi=%p\n", pi);
        i = *pi;
        printf("%08X\n", i);
}
</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">输出结果是：</P><PRE>pi=0xbfe87fe9
05040302
</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">符合我们的预期。数据对齐是CPU的问题，和编译器、操作系统没有关系。</P><H4 style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">3.3.3 ARM920T/Linux</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">输出结果是：</P><PRE>&amp;a[1]=0xbec49e55
01040302
</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">考虑到小尾，CPU实际读到的4个字节依次是0x02,0x03,0x04,0x01。这个结果不是我们所预期的，CPU出错了。</P><H4 style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">3.3.4 ARM7TDMI</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">程序在执行：</P><PRE>	i = *pi;
</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">时直接跳回Data Abort的处理向量，即地址0x00000010。</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">3.4 对策</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">在读取紧缩结构或结构的紧缩成员时，编译器会自动产生按字节读取的代码。我们只要在做强制指针转换时细心一些就可以了。我们不应该将指向窄数据的指针强制转换成指向宽数据的指针。在可能发生数据对齐问题的地方，按字节读取数据。</P><H2 style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px">4 结束语</H2><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">我很欣赏一本叫作《玫瑰的名字》的小说。这是一本侦探小说，但给了我不少编程的启示。威廉教士在迷宫内解不开谜团，在迷宫外却推理出迷宫的真相。我也倾向于在头脑中调试程序，调试器只是不得已而用之。身陷其中，既会改变要测试的对象，也可能被表象迷惑。从外面观察，通过想象推理，有时更容易发现真相，或抓住调试的重点。本文讨论了一些与对齐相关的细节。多了解一些细节，有助于我们在头脑中形成更清晰的程序映像。</P></SPAN></SPAN></PRE></SPAN></SPAN>
                        <P></P></SPAN></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
                  <P style="MARGIN: 5px; LINE-HEIGHT: 150%"></P></TD></TR>
              <TR>
                <TD align=middle height=25><FONT color=#295200>发表于： 2008-10-13 
                  ，修改于： 2008-10-13 09:46，已浏览173次，有评论0条</FONT> <A id=star 
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