ARM的字对齐问题总结
字节对齐的原因大致是如下两条:
1、平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。
2、性能原因:数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问。
二、对齐规则
规则:
1. 数据成员对齐规则:结构(struct)(或联合(union))的数据成员,第一个数据成员放在offset为0的地方,以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中,比较小的那个进行。
2. 结构(或联合)的整体对齐规则:在数据成员完成各自对齐之后,结构(或联合)本身也要进行对齐,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行。
3. 结合1、2可推断:第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数,那么偏移量必须满足默认的对齐方式,第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数,那么偏移量为n的倍数,不用满足默认的对齐方式。
三、X86对齐实验
1. 数据类型自身的对齐值:对于char型数据,其自身对齐值为1字节,对于short型为2字节,对于int,float,double类型,其自身对齐值为4字节。
2. 结构体的自身对齐值:其成员中自身对齐值最大的那个值。
3. 指定对齐值:#pragma
4. 数据成员和结构体的有效对齐值:数据成员(数据类型)和数据结构的自身对齐值和指定对齐值中小的那个值,数据成员对齐了数据结构自然也就对齐了。
了解上述四个基本概念,我们开始讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值。有效对齐N,就是表示“对齐在N上”,也就是说该数据的"存放起始地址%N=0"。而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放,结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整数倍)。下面结合VS2005中编译环境的例子进行深入了解:
例子B分析:
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
假设B从地址空间0x0000开始排放。该例中没有显式指定对齐值N,VS2005默认值为4。
成员变量b自身对齐值是1,比指定或默认指定对齐值4小,故有效对齐值为1,其存放地址0x0000符合0x0000%1=0,满足字节对齐原则。
成员变量a自身对齐值为4,和指定或默认指定对齐值4相等,故有效对齐值也为4,为了保证字节对齐,成员变量a只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中,复核0x0004%4=0。
成员变量c自身对齐值为2,比指定或默认指定对齐值4小,故有效对齐值为2,可顺序存放在0x0008至0x0009两个字节空间中,符合0x0008%2=0。
至此满足了数据成员的字节对齐,接着看数据结构B的对齐。数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(也就是成员变量b)4,故结构体B的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求, 0x0009到0x0000=10字节,(10+2)%4=0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12。
之所以在变量C补充2字节,是因为要实现编译器快速有效的存取结构数组,试想如果定义B结构数组,第一个结构起始地址是0没有问题,但是第二个结构呢?按照数组的定义,数组中所有元素都是紧挨着的,如果不把结构的大小补充为对齐值(4)的整数倍,那下一个结构的起始地址将是0x0000A,这显然不能满足结构的地址对齐了。
例子C分析:
__align(2) struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
四、ARM平台的对齐问题
在ARM中,有ARM和Thumb两种指令。
ARM指令:每执行一条指令,PC的值加4个字节(32bits).一次访问4字节内容,该字节的起始地址必须是4字节对齐的位置上,即地址的低两位为bits[0b00],也就是说地址必须是4的倍数。
Thumb指令:每执行一条指令,PC的值加2个字节(16bits).).一次访问2字节内容,该字节的起始地址必须是2字节对齐的位置上,即地址的低两位为bits[0b0],也就是说地址必须是2的倍数。
五、ARM平台字节对齐关键字
1. __align(num)
A、在汇编中使用LDRD或者STRD时,就用到此命令__align(8)进行修饰限制。来保证数据对象是相应对齐。
B、该修饰对象的命令最大是8个字节限制,可让2字节的对象进行4字节
C、 __align是存储类修改,他只修饰最高级类型对象不能用于结构或者函数对象。
2. __packed
__packed是进行一字节对齐。
A、不能对packed的对象进行对齐;
B、所有对象的读写访问都进行非对齐访问;
C、float及包含float的结构联合及未用__packed的对象将不能字节对齐;
D、__packed对局部整形变量无影响;
D、强制由unpacked对象向packed对象转化是未定义,整形指针可以合法定
义为packed __packed int* p; //__packed int 则没有意义。
3. __unaligned
六、如何查找与字节对齐方面的问题
如果出现对齐或者赋值问题首先查看:
1. 编译器的big little端设置;
2. 看这种体系本身是否支持非对齐访问;
3. 如果支持看设置了对齐与否,如果没有则看访问时需要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操作。
七、结论
typedef struct tag_T_MSG{
long ParaA;
long ParaB;
short ParaC;
char ParaD;
char Pad;
} T_MSG;
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