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好高兴

上一篇 / 下一篇 2008-04-25 09:11:16

对齐是跟数据块在内存中的位置相关的话题。如果一个变量的内存地址正好是它长度的整数倍，它就被称作是自然对齐的。举例来说，对于一个32位类型的数据，如果它在内存中的地址刚好可以被4整除（也就最低两位为0），那它就是自然对齐的。也就是说，一个大小为2n字节的数据类型n，它地址的最低有效位的后n位都应该为0。
一些体系结构对对齐的要求非常严格。通常象基于RISC的系统，载入未对齐的数据会导致处理器陷入（一种可处理的错误）。还有一些系统可以访问没有对齐的数据，只不过性能会下降。编写可移植性高的代码要避免对齐问题，保证所有的类型都能够自然对齐。

1. 避免对齐引发的问题
编译器通常会通过让所有的数据自然对齐来避免引发对齐问题。实际上，内核开发者在对齐上不用花费太大心思—只有搞gcc的那些老兄才应该为此犯愁呢。可是，当程序员使用指针太多，对数据的访问方式超出编译器的预期时，就会引发问题了。
一个数据类型长度较小，它本来是对齐的，如果你用一个指针进行类型转换，并且转换后的类型长度较大，那么通过改指针进行数据访问时就会引发对齐问题（无论如何，对于某些体系结构会存在这种问题）。也就是说，下面的代码是错误的：
char dog[10];
char *p = &dog[1];
unsigned long l = *(unsigned long *)p;
这个例子将一个指向char型的指针当作指向unsigned long型的指针来用，这会引起问题，因为此时会试图从一个并不能被4整除的内存地址上载入32位的unsigned long型数据。
如果你能想到“我会在现实中这么做吗？”，你基本上就不会有问题了。无论如何，这种错误出现了，并且它还会发生，所以应该小心。实际编程时错误可能不会像这个例子中这么明显。

2. 非标准类型的对齐
前面提到了，对于标准数据类型来说，它的地址只要是其长度的整数倍就对齐了。而非标准的（复合的）C数据类型按照下列原则对齐：
* 对于数组，只要按照基本数据类型进行对齐就可了（其实随后的所有元素自然能够对齐）。
* 对于联合，只要它包含的长度最大的数据类型能够对齐就可以了。
* 对于结构体，只要它包含的长度最大的数据类型能够对齐就可以了。
结构体还要引入填补机制，这会引出下一个问题。

3. 结构体填补
为了保证结构体中每一个成员都能够自然对齐，结构体要被填补。这点确保了当处理器访问结构中一个给定元素时，元素本身被对齐。This ensures that when the processor accesses a given element in the structure, that element itself is aligned.举个例子，下面是一个在32位机上的结构体：
struct animal_struct {
char dog;       /* 1字节*/
unsigned long cat;    /* 4字节*/
unsigned short pig; /* 2字节 */
char fox;       /* 1字节*/
}；
由于该结构不能准确地满足各个成员自然对齐，所以它在内存中可不是按照原样存放的。编译器会在内存中创建一个类似下面给出的结构体：
struct animal _struct {
char dog;       /* 1字节*/
u8 __pad0[3];       /* 3字节*/
unsigned long cat;    /* 4字节*/
unsigned short pig; /* 2字节 */
char fox;       /* 1字节*/
u8 __pad1;       /* 1字节*/
}；
填补的变量都是为了能够让数据自然对齐而加入的。第一个填充物占用了3个字节的空间，保证cat可以按照4字节对齐。这也自动使其他小的对象都被对齐了，因为它们长度都比cat要小。第二个也是最后的填充是为了填补struct本身的大小。额外的这个填补使结构体的长度能够被4整除，这样，在由该结构体构成的数组中，每个数组项也就会自然对齐了。
注意，在大部分32位系统上，对于任何一个这样的结构体，sizeof(animal_struct)都会返回12。C编译器自动进行填补以保证自然对齐。
通常你可以通过重新排列结构中的对象来避免填充。这样既可以得到一个较小的结构体，又能保证无需填补它也是自然对齐的。
struct animal _struct {
unsigned long cat;    /* 4字节*/
unsigned short pig; /* 2字节 */
char dog;       /* 1字节*/
char fox;       /* 1字节*/
};
现在这个结构体只有8字节大小了。不过，不是任何时候都可以这样对结构体进行调整的。举个例子，如果该结构体是为某个标准的一部分，或者它是现有代码的一部分，那么它的成员次序就已经被定死了，虽然在内核中（缺少一个正式的ABI）相比用户空间来说，这种需求要少的多。还有些时候，你因为一些原因必须使用某种固定的次序—比如说，为了提高高速缓存的命中率进行优化时设定的变量次序。注意，ANSI C明确规定不允许编译器改变结构体内成员对象的次序[1]——它总是由你，程序员来决定。虽然编译器可以帮助你做填充，但是，如果使用-Wpadded标志，那么将使gcc在发现结构体被填充时产生警告。
内核开发者需要注意结构体填补问题，特别是在整体使用时—这是指当需要通过网络发送它们或需要将它们写入文件的时候，因为不同体系结构之间所需要的填补也不尽相同。这也是为什么C没有提供一个内建的结构体比较操作符的原因之一。结构体内的填充字节中可能会包含垃圾信息，所以在结构体之间进行一字节一字节的比较就不大可能实现了。C语言的设计者（正确的）感觉到最好还是由程序员自己为不同的情况编写比较函数，这样才能利用到结构体次序信息。

[1] 如果让编译器随心所欲地改变结构体中各个对象地位置的话，现存的程序大部分都会崩溃。在C语言中，函数往往通过在结构体地址上加上偏移量来计算变量的位置。

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