正文

大家好，我是bug菌！最近看到一些朋友在交流結(jié)構(gòu)體對(duì)齊方面的一些問題，從他們的交談中隱隱約感覺有幾個(gè)朋友對(duì)結(jié)構(gòu)體成員的對(duì)齊理解上有點(diǎn)偏差，不能說完全不對(duì)吧，畢竟這是老生常談的問題了~

所以bug菌今天跟大家好好談?wù)剬?duì)齊這個(gè)話題~

1

變量與內(nèi)存

首先我們要明確，在嵌入式C語言中變量是什么？其實(shí)所謂的變量就是一小段內(nèi)存。當(dāng)你隨心所欲的在C程序中定義著各種變量，有沒有想過他們是如何被安排到相應(yīng)內(nèi)存上的?

好吧，其實(shí)他們是怎么安排的，并不需要程序員太多的操心，這個(gè)映射過程都是編譯器自動(dòng)給大家分配的，(可以借助動(dòng)態(tài)內(nèi)存的角度去看待這個(gè)分配問題)，因?yàn)榇蟛糠肿兞吭谝欢▋?nèi)存區(qū)域上是可以任意選擇地址的，比如你定義一個(gè)全局的int gVar 變量，在不進(jìn)行特殊指定內(nèi)存位置的情況下，其編譯后所分配的內(nèi)存地址并不一定每次都是相同的；當(dāng)然，每次編譯完成便會(huì)確定下來，并且程序中對(duì)該變量的訪問，均會(huì)使用所確定下來的內(nèi)存地址。

既然變量的地址分配過程由編譯器自動(dòng)完成，但有時(shí)候我們想把一些或者某個(gè)變量放在固定的內(nèi)存地址處等，此時(shí)就需要通過一些語法來告訴編譯器該如何分配這些指定變量?jī)?nèi)存的分配，比如要做復(fù)位數(shù)據(jù)恢復(fù)等。

然而內(nèi)存的對(duì)齊問題也是對(duì)這些變量分配位置處理的一種方式，通常我們看到的align或者pack等就是來干預(yù)編譯器的這塊處理的。

2

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊

理解了上面的一個(gè)思路，那么我們來分析分析結(jié)構(gòu)體對(duì)齊問題。

參考demo：

1#include?
2#include?
3
4/*默認(rèn)對(duì)齊方式*/?
5typedef?struct?_tag_ContrlObj1
6{
7????char?member1;
8????int?member2;
9
10}sContrl1;
11
12/*1字節(jié)對(duì)齊*/?
13#pragma?pack(1)?
14typedef?struct?_tag_ContrlObj2
15{
16????char?member1;
17????int?member2;
18
19}sContrl2;
20#pragma?pack()
21
22/*2字節(jié)對(duì)齊*/?
23#pragma?pack(2)
24typedef?struct?_tag_ContrlObj3
25{
26????char?member1;
27????int?member2;
28
29}sContrl3;
30#pragma?pack()
31
32/*4字節(jié)對(duì)齊*/?
33#pragma?pack(4)
34typedef?struct?_tag_ContrlObj4
35{
36????char?member1;
37????int?member2;
38
39}sContrl4;
40#pragma?pack()
41
42/*8字節(jié)對(duì)齊*/??
43#pragma?pack(8)
44typedef?struct?_tag_ContrlObj5
45{
46????char?member1;
47????int?member2;
48
49}sContrl5;
50#pragma?pack()
51
52int?main(int?argc,?char?*argv[])?{
53
54????printf("default:%d\n",sizeof(sContrl1));
55????printf("pack(1):%d\n",sizeof(sContrl2));?
56????printf("pack(2):%d\n",sizeof(sContrl3));
57????printf("pack(4):%d\n",sizeof(sContrl4));
58????printf("pack(5):%d\n",sizeof(sContrl5));
59
60????return?0;
61}


運(yùn)行結(jié)果：

以上編譯結(jié)果采用的是32位編譯器，默認(rèn)對(duì)齊方式是4個(gè)字節(jié)，char類型占據(jù)1個(gè)字節(jié)，int占據(jù)4個(gè)字節(jié),下面簡(jiǎn)單分析一下結(jié)果:1、默認(rèn)方式，采用4個(gè)字節(jié)對(duì)齊，那么char后面需要填充3個(gè)字節(jié)，然后存放int類型，所以結(jié)構(gòu)體大小輸出為8。2、1字節(jié)對(duì)齊方式，直接緊湊排列，很多人也叫不進(jìn)行對(duì)齊處理，所以輸出結(jié)果是5。3、2字節(jié)對(duì)齊方式，其實(shí)和4個(gè)字節(jié)對(duì)齊是類似的，char按照2字節(jié)對(duì)齊，所以后面需要填充一個(gè)字節(jié)，這樣int才能以兩字節(jié)對(duì)齊排布，此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)體占據(jù)6個(gè)字節(jié)。4、4字節(jié)對(duì)齊方式與默認(rèn)對(duì)齊方式一致，最后看看8字節(jié)對(duì)齊，此時(shí)char類型與int類型完全能夠被8個(gè)字節(jié)容納，而該結(jié)構(gòu)體最大數(shù)據(jù)類型是4個(gè)字節(jié)，所以char后面會(huì)預(yù)留3個(gè)字節(jié)，進(jìn)行4字節(jié)對(duì)齊，然后放置int類型，此時(shí)與4字節(jié)對(duì)齊是一致的。那么一些朋友會(huì)問，是不是在上面的8字節(jié)例子中再加入一個(gè)char類型的成員，整個(gè)結(jié)構(gòu)體就會(huì)占據(jù)16個(gè)字節(jié)了呢？1/*8字節(jié)對(duì)齊*/??
2#pragma?pack(8)
3typedef?struct?_tag_ContrlObj5
4{
5????char??member1;
6????int???member2;
7????char??member3;
8}sContrl5;
9#pragma?pack()

其輸出結(jié)果如下:結(jié)構(gòu)體所占據(jù)的字節(jié)是12個(gè)，那是不是認(rèn)為8字節(jié)對(duì)齊沒有意義呢？我們?cè)倏匆粋€(gè)實(shí)驗(yàn):1/*8字節(jié)對(duì)齊*/??
2#pragma?pack(8)
3typedef?struct?_tag_ContrlObj5
4{
5????char?????member1;
6????double???member2;
7????char?????member3;
8}sContrl5;
9#pragma?pack()

此時(shí)double占據(jù)了8個(gè)字節(jié)，按照前面的思路應(yīng)該是4 8 4，應(yīng)該最終結(jié)構(gòu)體的大小是16個(gè)字節(jié)，而結(jié)果顯示:輸出結(jié)果顯示24=8 8 8的形式，大家也可以直接采用打印結(jié)構(gòu)體成員地址的辦法查看是幾個(gè)字節(jié)對(duì)齊，有點(diǎn)暈，到底編譯器這一塊是怎么處理的呢？結(jié)論是：對(duì)齊字節(jié)數(shù) = min<當(dāng)前指定的pack值，最大成員所占字節(jié)大小>。很多朋友其實(shí)研究到這個(gè)階段基本上就沒有再繼續(xù)探究了~嵌入式C語言一定要跟硬件結(jié)合理解~

3

內(nèi)存對(duì)齊

其實(shí)所謂的結(jié)構(gòu)體對(duì)齊，并不是簡(jiǎn)單的1個(gè)字節(jié)、兩個(gè)字節(jié)等多個(gè)字節(jié)的排列組合，而是在對(duì)應(yīng)對(duì)齊地址上分布。首先對(duì)齊需要解決的問題是什么 ? 即為啥需要對(duì)齊？提高內(nèi)存的訪問效率，也可以說是受CPU等硬件方面的限制，按照特定的對(duì)齊地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問要快于跨非對(duì)齊地址的內(nèi)存訪問；并且有些平臺(tái)僅支持對(duì)齊方式訪問，非對(duì)齊方式會(huì)直接運(yùn)行錯(cuò)誤。為了加快相關(guān)數(shù)據(jù)的正確訪問，編譯器會(huì)把相關(guān)的變量盡量的放到對(duì)齊的地址上，也就是默認(rèn)的對(duì)齊方式，比如CPU在偶數(shù)地址上訪問比較快，那么就會(huì)采用2個(gè)字節(jié)對(duì)齊的方式。
所以結(jié)構(gòu)體內(nèi)部成員并不是簡(jiǎn)單成員字節(jié)個(gè)數(shù)的對(duì)齊拼湊，而是讓結(jié)構(gòu)體成員落在對(duì)齊的地址上以便訪問。如下圖所示，當(dāng)進(jìn)行2字節(jié)對(duì)齊，如果只是簡(jiǎn)單的拼湊，兩種分布都是可以的，但是左側(cè)才是正確的2字節(jié)對(duì)齊方式，char成員變量的地址是2，int變量的地址是4，均為2字節(jié)的倍數(shù)。

總結(jié)一下: 結(jié)構(gòu)體對(duì)齊不再是簡(jiǎn)單的字節(jié)個(gè)數(shù)的拼湊，而是要與內(nèi)存地址進(jìn)行掛鉤~一般我們也可以理解為內(nèi)存地址分配是多少字節(jié)的倍數(shù)，就是多少直接對(duì)齊~enjoy~最后

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