ARM的字對齊問題總結(jié)

現(xiàn)代計算機中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問都可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就是對齊。

字節(jié)對齊的原因大致是如下兩條：

1、平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

2、性能原因：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；而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

二、對齊規(guī)則

每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”。
規(guī)則：
1. 數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員的對齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個數(shù)據(jù)成員自身長度中，比較小的那個進行。
2. 結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長度中，比較小的那個進行。
3. 結(jié)合1、2可推斷：第一、如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿足默認(rèn)的對齊方式，第二、如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認(rèn)的對齊方式。

三、X86對齊實驗
下面再簡要回顧解釋一下上述的對齊規(guī)則，結(jié)合實例進行分析：
1. 數(shù)據(jù)類型自身的對齊值：對于char型數(shù)據(jù)，其自身對齊值為1字節(jié)，對于short型為2字節(jié)，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4字節(jié)。
2. 結(jié)構(gòu)體的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。
3. 指定對齊值：#pragmapack(n)來設(shè)定變量以n字節(jié)對齊方式。n字節(jié)對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況，第一、如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿足默認(rèn)的對齊方式，第二、如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認(rèn)的對齊方式。
4. 數(shù)據(jù)成員和結(jié)構(gòu)體的有效對齊值：數(shù)據(jù)成員(數(shù)據(jù)類型)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自身對齊值和指定對齊值中小的那個值，數(shù)據(jù)成員對齊了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)自然也就對齊了。
了解上述四個基本概念，我們開始討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值。有效對齊N，就是表示“對齊在N上”，也就是說該數(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0"。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長度需要是對結(jié)構(gòu)體有效對齊值的整數(shù)倍)。下面結(jié)合VS2005中編譯環(huán)境的例子進行深入了解：
例子B分析：
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
假設(shè)B從地址空間0x0000開始排放。該例中沒有顯式指定對齊值N，VS2005默認(rèn)值為4。
成員變量b自身對齊值是1，比指定或默認(rèn)指定對齊值4小，故有效對齊值為1，其存放地址0x0000符合0x0000%1=0，滿足字節(jié)對齊原則。
成員變量a自身對齊值為4，和指定或默認(rèn)指定對齊值4相等，故有效對齊值也為4，為了保證字節(jié)對齊，成員變量a只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0。
成員變量c自身對齊值為2，比指定或默認(rèn)指定對齊值4小，故有效對齊值為2，可順序存放在0x0008至0x0009兩個字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。
至此滿足了數(shù)據(jù)成員的字節(jié)對齊，接著看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的對齊。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(也就是成員變量b）4，故結(jié)構(gòu)體B的有效對齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節(jié)，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節(jié),sizeof(struct B)=12。
之所以在變量C補充2字節(jié)，是因為要實現(xiàn)編譯器快速有效的存取結(jié)構(gòu)數(shù)組,試想如果定義B結(jié)構(gòu)數(shù)組,第一個結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個結(jié)構(gòu)呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果不把結(jié)構(gòu)的大小補充為對齊值（4）的整數(shù)倍,那下一個結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結(jié)構(gòu)的地址對齊了。
例子C分析：

__align(2) struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
同理，例子C中成員變量b自身對齊值為1，指定對齊值為2，故效對齊值為1，假設(shè)C從0x0000開始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0，滿足字節(jié)對齊原則。
成員變量a自身對齊值為4，指定對齊值為2，故有效對齊值為2，順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù)字節(jié)中，符合0x0002%2=0，滿足字節(jié)對齊原則。
成員變量c的自身對齊值為2，與指定對齊值相等，故有效對齊值為2，順序存放在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0，滿足字節(jié)對齊原則。
從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是結(jié)構(gòu)體C的變量。結(jié)構(gòu)體C自身對齊值為4，比指定對齊值2大，故C的有效對齊值為2，因8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8，完全滿足字節(jié)對齊原則。
除了指定的對齊值不同能導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址存放不同外， 編譯器不同存放結(jié)構(gòu)體方式也可能不同。

四、ARM平臺的對齊問題

在ARM中，有ARM和Thumb兩種指令。

ARM指令：每執(zhí)行一條指令，PC的值加4個字節(jié)（32bits）.一次訪問4字節(jié)內(nèi)容，該字節(jié)的起始地址必須是4字節(jié)對齊的位置上，即地址的低兩位為bits[0b00],也就是說地址必須是4的倍數(shù)。

Thumb指令：每執(zhí)行一條指令，PC的值加2個字節(jié)（16bits）.）.一次訪問2字節(jié)內(nèi)容，該字節(jié)的起始地址必須是2字節(jié)對齊的位置上，即地址的低兩位為bits[0b0],也就是說地址必須是2的倍數(shù)。

遵循以上方式叫對齊（aligned）方式，不遵守這樣方式稱為非對齊（unaligned）的存儲訪問操作。

五、ARM平臺字節(jié)對齊關(guān)鍵字
1. __align(num)
用于修改最高級別對象的字節(jié)邊界。
A、在匯編中使用LDRD或者STRD時，就用到此命令__align(8)進行修飾限制。來保證數(shù)據(jù)對象是相應(yīng)對齊。
B、該修飾對象的命令最大是8個字節(jié)限制,可讓2字節(jié)的對象進行4字節(jié)
對齊,但是不能讓4字節(jié)的對象2字節(jié)對齊。
C、 __align是存儲類修改,他只修飾最高級類型對象不能用于結(jié)構(gòu)或者函數(shù)對象。

2. __packed
__packed是進行一字節(jié)對齊。
A、不能對packed的對象進行對齊；
B、所有對象的讀寫訪問都進行非對齊訪問；
C、float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用__packed的對象將不能字節(jié)對齊；
D、__packed對局部整形變量無影響；
D、強制由unpacked對象向packed對象轉(zhuǎn)化是未定義,整形指針可以合法定
義為packed __packed int* p; //__packed int 則沒有意義。

3. __unaligned
用于修飾該變量可按照非對齊訪問。

六、如何查找與字節(jié)對齊方面的問題
如果出現(xiàn)對齊或者賦值問題首先查看：
1. 編譯器的big little端設(shè)置；
2. 看這種體系本身是否支持非對齊訪問；
3. 如果支持看設(shè)置了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標(biāo)志其特殊訪問操作。
七、結(jié)論
針對于32位處理器對于本地使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為提高內(nèi)存訪問效率，采用四字節(jié)對齊方式；同時為了減少內(nèi)存的開銷，合理安排結(jié)構(gòu)成員的位置，減少四字節(jié)對齊導(dǎo)致的成員之間的空隙，降低內(nèi)存開銷。
對于處理器之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要保證消息的長度不因為在不同編譯平臺和不同處理器導(dǎo)致消息結(jié)構(gòu)的長度發(fā)生變化，使用一字節(jié)對齊方式對消息結(jié)構(gòu)進行緊縮；為保證處理器之間的消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存訪問效率，采用字節(jié)填充的方式自己對消息中成員進行四字節(jié)對齊。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員位置要兼顧成員之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)訪問效率和空間利用率。順序安排的原則是：四字節(jié)的放在最前面，兩字節(jié)的緊接最后一個四字節(jié)成員，一字節(jié)緊接最后一個兩字節(jié)成員，填充字節(jié)放在最后。舉例如下：
typedef struct tag_T_MSG{
long ParaA;
long ParaB;
short ParaC；
char ParaD;
char Pad;
} T_MSG;