ARM的字對(duì)齊問題總結(jié)

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

字節(jié)對(duì)齊的原因大致是如下兩條：

1、平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)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(duì)齊。原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

二、對(duì)齊規(guī)則

每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)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(duì)齊系數(shù)”。
規(guī)則：
1. 數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對(duì)齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。
2. 結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對(duì)齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)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(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)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(duì)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(duì)齊方式。

三、X86對(duì)齊實(shí)驗(yàn)
下面再簡(jiǎn)要回顧解釋一下上述的對(duì)齊規(guī)則，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析：
1. 數(shù)據(jù)類型自身的對(duì)齊值：對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其自身對(duì)齊值為1字節(jié)，對(duì)于short型為2字節(jié)，對(duì)于int,float,double類型，其自身對(duì)齊值為4字節(jié)。
2. 結(jié)構(gòu)體的自身對(duì)齊值：其成員中自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值。
3. 指定對(duì)齊值：#pragmapack(n)來設(shè)定變量以n字節(jié)對(duì)齊方式。n字節(jié)對(duì)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(duì)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(duì)齊方式。
4. 數(shù)據(jù)成員和結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)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(duì)齊值和指定對(duì)齊值中小的那個(gè)值，數(shù)據(jù)成員對(duì)齊了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)自然也就對(duì)齊了。
了解上述四個(gè)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(duì)齊方式。有效對(duì)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(duì)齊N，就是表示“對(duì)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(gè)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(duì)齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對(duì)齊值圓整(結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長(zhǎng)度需要是對(duì)結(jié)構(gòu)體有效對(duì)齊值的整數(shù)倍)。下面結(jié)合VS2005中編譯環(huán)境的例子進(jìn)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(duì)齊值N，VS2005默認(rèn)值為4。
成員變量b自身對(duì)齊值是1，比指定或默認(rèn)指定對(duì)齊值4小，故有效對(duì)齊值為1，其存放地址0x0000符合0x0000%1=0，滿足字節(jié)對(duì)齊原則。
成員變量a自身對(duì)齊值為4，和指定或默認(rèn)指定對(duì)齊值4相等，故有效對(duì)齊值也為4，為了保證字節(jié)對(duì)齊，成員變量a只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個(gè)連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0。
成員變量c自身對(duì)齊值為2，比指定或默認(rèn)指定對(duì)齊值4小，故有效對(duì)齊值為2，可順序存放在0x0008至0x0009兩個(gè)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(duì)齊，接著看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的對(duì)齊。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對(duì)齊值為其變量中最大對(duì)齊值(也就是成員變量b）4，故結(jié)構(gòu)體B的有效對(duì)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(gè)字節(jié),sizeof(struct B)=12。
之所以在變量C補(bǔ)充2字節(jié)，是因?yàn)橐獙?shí)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(gè)結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個(gè)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(bǔ)充為對(duì)齊值（4）的整數(shù)倍,那下一個(gè)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(duì)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(duì)齊值為1，指定對(duì)齊值為2，故效對(duì)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(duì)齊原則。
成員變量a自身對(duì)齊值為4，指定對(duì)齊值為2，故有效對(duì)齊值為2，順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個(gè)連續(xù)字節(jié)中，符合0x0002%2=0，滿足字節(jié)對(duì)齊原則。
成員變量c的自身對(duì)齊值為2，與指定對(duì)齊值相等，故有效對(duì)齊值為2，順序存放在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0，滿足字節(jié)對(duì)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(duì)齊值為4，比指定對(duì)齊值2大，故C的有效對(duì)齊值為2，因8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個(gè)字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8，完全滿足字節(jié)對(duì)齊原則。
除了指定的對(duì)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(tái)的對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)齊（aligned）方式，不遵守這樣方式稱為非對(duì)齊（unaligned）的存儲(chǔ)訪問操作。

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

2. __packed
__packed是進(jìn)行一字節(jié)對(duì)齊。
A、不能對(duì)packed的對(duì)象進(jìn)行對(duì)齊；
B、所有對(duì)象的讀寫訪問都進(jìn)行非對(duì)齊訪問；
C、float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用__packed的對(duì)象將不能字節(jié)對(duì)齊；
D、__packed對(duì)局部整形變量無影響；
D、強(qiáng)制由unpacked對(duì)象向packed對(duì)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(duì)齊訪問。

六、如何查找與字節(jié)對(duì)齊方面的問題
如果出現(xiàn)對(duì)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(duì)齊訪問；
3. 如果支持看設(shè)置了對(duì)齊與否,如果沒有則看訪問時(shí)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(duì)于32位處理器對(duì)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(duì)齊方式；同時(shí)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(duì)齊導(dǎo)致的成員之間的空隙，降低內(nèi)存開銷。
對(duì)于處理器之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要保證消息的長(zhǎng)度不因?yàn)樵诓煌幾g平臺(tái)和不同處理器導(dǎo)致消息結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度發(fā)生變化，使用一字節(jié)對(duì)齊方式對(duì)消息結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)消息中成員進(jìn)行四字節(jié)對(duì)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(gè)四字節(jié)成員，一字節(jié)緊接最后一個(gè)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;