ARM內(nèi)存對齊總結(jié).doc

ARM內(nèi)存對齊總結(jié)一、啥是內(nèi)存對齊？為啥要內(nèi)存對齊？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“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預編譯命令#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)成員放在偏移量為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，即各成員變量存放的起始地址相對于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍。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 Bchar b;int a;short c;假設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默認值為4。成員變量b自身對齊值是1，比指定或默認指定對齊值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，復核0x0004%4=0。成員變量c自身對齊值為2，比指定或默認指定對齊值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)，（102）40。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 Cchar 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bits0b00,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bits0b0,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)的對象按4字節(jié)對齊,但不能讓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 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；E、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