字节对齐方式总结

字节对齐方式总结 前言: 《***软件编程规范》中提到:“在定义结构数据类型时，为了提高系统效率，要注意4字节对齐原则……”。本文解释x86上字节对齐的机制，其他架构读者可自行试验。同时，本文对C/C++的函数调用方式进行了讨论。 BTW想了几天要在休息时间写个总结但是直到今天18日才动手。写出来应该对自己还是有帮助的。也许还有一点点参考价值吧。由于本人水平所限，有不正确之处，欢迎大家提出。 感谢几位同事。以及carrot。呵呵…… 下面言归正传。 1( 先看下面的例子: struct A{ char c1; int i; short s; int j; }a; struct B{ int i; int j; short s; char c1; }b; 结构A没有遵守字节对齐原则(为了区分，我将它叫做对齐声明原则)，结构B遵守了。我们来看看在x86上会出现什么结果。先打印出a和b的各个成员的地址。会看到a中，各个成员间的间距是4个字节。b中，i和j，j和s都间距4个字节，但是s和c1间距2个字节。所以: sizeof(a) = 16 sizeof(b) = 12 为什么会有这样的结果呢,这就是x86上字节对齐的作用。为了加快程序执行的速度，一些体系结构以对齐的方式设计，通常以字长作为对齐边界。对于一些结构体变量，整个结构要对齐在内部成员变量最大的对齐边界，如B，整个结构以4为对齐边界，所以sizeof(b)为12，而不是11。 对于A来讲，虽然声明的时候没有对齐，但是根据打印出的地址来看，编译器已经自动为其对齐了，所以每个成员的间距是4。在x86下，声明A与B唯一的差别，仅在于A多浪费了4个字节内存。(是不是某些特定情况下，B比A执行更快，这个还需要讨论。比如紧挨的两条分别取s和c1的指令) 如果体系结构是不对齐的，A中的成员将会一个挨一个存储，从而sizeof(a)为11。显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢, 体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w，那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁 也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。比如说读写时，大多数情况下需要读写w位数据，那么数据通道就会是w位。如果所有的数据访问都以w位对齐，那么访问还可以进一步加快，因为需要传输的地址位减少，寻址可以加快。大多数体系结构都是按照字长来对齐访问数据的。不对齐的时候，有的会出错，比如MIPS上会产生bus error，而x86则会进行多次访问来拼接得到的结果，从而降低执行效率。 有些体系结构是必须要求对齐的，如sparc，MIPS。它们在硬件的设计上就强制性的要求对齐。不是因为它们作不到对齐的访问，而是它们认为这样没有意义。它们追求的是速度。 上面讲了体系结构的对齐。在IA-32上面，sizeof(a)为16，就是对齐的结果。下面我们来看，为什么变量声明的时候也要尽量对齐。 我们看到，结构A的声明并不对齐，但是它的成员地址仍是以4为边界对齐的(成员间距为4)。这是编译器的功劳。因为我所用的编译器gcc，默认是对齐的。而x86可以处理不对齐的数据访问，所以这样声明程序并不会出错。但是对于其他结构，只能访问对齐的数据，而编译器又不小心设置了不对齐的选项，则代码就不能执行了。如果按照B的方式声明，则不管编译器是否设置了对齐选项，都能够正确的访问数据。 目前的开发普遍比较重视性能，所以对齐的问题，有三种不同的处理方法: 1) 采用B的方式声明 2) 对于逻辑上相关的成员变量希望放在靠近的位置，就写成A的方式。有一种做法是显式的插入reserved成员: struct A{ char c1; char reserved1[3]; int i; short s; char reserved2[2]; int j; }a; 3) 随便怎么写，一切交给编译器自动对齐。 代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。下面举个例子: unsigned int ui_1=0x12345678; unsigned char *p=NULL; unsigned short *us_1=NULL; p=&ui_1; *p=0x00; us_1=(unsigned short *)(p+1); *us_1=0x0000; 最后两句代码，从奇数边界去访问unsigned short型变量，显然不符合对齐的规定。在x86上，类似的操作只会影响效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一个bus error(我没有试)。 有些人喜欢通过移动指针来操作结构中的成员(比如在linux操作struct sk_buff的成员)，但是我们看到，A中(&c1+1) 决不等于&i。不过B中(&s+2)就是 &c1了。所以，我们清楚了 结构中成员的存放位置，才能编写无错的代码。同时切记，不管对于结构，数组，或者普通的变量，在作强制类型转换时一定要多看看:)不过为了不那么累，还是遵守声明对齐原则吧～(这个原则是说变量尽量声明在它的对齐边界上，而且在节省空间的基础上) 2(C/C++函数调用方式 我们当然早就知道，C/C++中的函数调用，都是以值传递的方式，而不是参数传递。那么，值传递是如何实现的呢, 函数调用前的典型汇编码如下: push %eax call 0x401394 add $0x10,%esp 首先，入栈的是实参的地址。由于被调函数都是对地址进行操作，所以就能够理解值传递的原理和参数是引用时的情况了。 Call ***， 是要调用函数了，后面的地址，就是函数的入口地址。Call指令等价于: PUSH IP JMP *** 首先把当前的执行地址IP压栈，然后跳转到函数执行。 执行完后，被调函数要返回，就要执行RET指令。RET等价于POP IP，恢复CALL之前的执行地址。所以一旦使用CALL指令，堆栈指针SP就会自动减2，因为IP的值进栈了。 函数的参数进栈的顺序是从右到左，这是C与其它语言如pascal的不同之处。函数调用都以以下语句开始: push %ebp mov %esp,%ebp 首先保存BP的值，然后将当前的堆栈指针传递给BP。那么现在BP+2就是IP的值(16位register的情况)，BP+4放第一个参数的值，BP+6放第二个参数……。函数在结束前，要执行POP BP。 C/C++语言默认的函数调用方式，都是由主调用函数进行参数压栈并且恢复堆栈，实参的压栈顺序是从右到左，最后由主调函数进行堆栈恢复。由于主调用函数管理堆栈，所以可以实现变参函数。 对于WINAPI和CALLBACK函数，在主调用函数中负责压栈，在被调用函数中负责弹出堆栈中的参数，并且负责恢复堆栈。因此不能实现变参函数。 (哪位对编译原理和编译器比较了解的，可以将这个部分写完善，谢谢。可以加入编译时的处理。不然只有等偶继续学习了)