字节对齐和C/C++函数调用方式学习总结 - [C/C++]

深碍√TFBOYSˉ_ 2022-08-27 06:48 168阅读 0赞

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 <test\_\_Fc> 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）

### 一.什么是字节对齐,为什么要对齐? ###

现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。     对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

### 二.字节对齐对程序的影响: ###

先让我们看几个例子吧(32bit,x86环境,gcc编译器): 设结构体如下定义： struct A \{     int a;     char b;     short c; \}; struct B \{     char b;     int a;     short c; \}; 现在已知32位机器上各种数据类型的长度如下: char:1(有符号无符号同)     short:2(有符号无符号同)     int:4(有符号无符号同)     long:4(有符号无符号同)     float:4    double:8 那么上面两个结构大小如何呢? 结果是: sizeof(strcut A)值为8 sizeof(struct B)的值却是12

结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个,B也一样;按理说A,B大小应该都是7字节。 之所以出现上面的结果是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。上面是按照编译器的默认设置进行对齐的结果,那么我们是不是可以改变编译器的这种默认对齐设置呢,当然可以.例如: \#pragma pack (2) /\*指定按2字节对齐\*/ struct C \{     char b;     int a;     short c; \}; \#pragma pack () /\*取消指定对齐，恢复缺省对齐\*/ sizeof(struct C)值是8。 修改对齐值为1： \#pragma pack (1) /\*指定按1字节对齐\*/ struct D \{     char b;     int a;     short c; \}; \#pragma pack () /\*取消指定对齐，恢复缺省对齐\*/ sizeof(struct D)值为7。 后面我们再讲解\#pragma pack()的作用.

### 三.编译器是按照什么样的原则进行对齐的? ###

先让我们看四个重要的基本概念： 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，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。 2.结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。 3.指定对齐值：\#pragma pack (value)时的指定对齐值value。 4.数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。 有了这些值，我们就可以很方便的来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，最重要。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(就是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，结合下面例子理解)。这样就不能理解上面的几个例子的值了。 例子分析： 分析例子B； struct B \{     char b;     int a;     short c; \}; 假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为4，所以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,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为 2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是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;其实如果就这一个就来说它已将满足字节对齐了, 因为它的起始地址是0,因此肯定是对齐的,之所以在后面补充2个字节,是因为编译器为了实现结构数组的存取效率,试想如果我们定义了一个结构B的数组,那么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,如果我们不把结构的大小补充为4的整数倍,那么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,因此我们要把结构补充成有效对齐大小的整数倍.其实诸如:对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，这些已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的,只是因为这些类型的长度已知了,所以他们的自身对齐值也就已知了. 同理,分析上面例子C： \#pragma pack (2) /\*指定按2字节对齐\*/ struct C \{     char b;     int a;     short c; \}; \#pragma pack () /\*取消指定对齐，恢复缺省对齐\*/ 第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放 在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以C的有效对齐值为2。又8%2=0,C 只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

### 四.如何修改编译器的默认对齐值? ###

1.在VC IDE中，可以这样修改：\[Project\]|\[Settings\],c/c++选项卡Category的Code Generation选项的Struct Member Alignment中修改，默认是8字节。 2.在编码时，可以这样动态修改：\#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

### 五.针对字节对齐,我们在编程中如何考虑? ###

如果在编程的时候要考虑节约空间的话,那么我们只需要假定结构的首地址是0,然后各个变量按照上面的原则进行排列即可,基本的原则就是把结构中的变量按照类型大小从小到大声明,尽量减少中间的填补空间.还有一种就是为了以空间换取时间的效率,我们显示的进行填补空间进行对齐,比如:有一种使用空间换时间做法是显式的插入reserved成员：          struct A\{            char a;            char reserved\[3\];//使用空间换时间            int b; \} reserved成员对我们的程序没有什么意义,它只是起到填补空间以达到字节对齐的目的,当然即使不加这个成员通常编译器也会给我们自动填补对齐,我们自己加上它只是起到显式的提醒作用.

### 六.字节对齐可能带来的隐患: ###

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。例如： unsigned int i = 0x12345678; unsigned char \*p=NULL; unsigned short \*p1=NULL;

p=&i; \*p=0x00; p1=(unsigned short \*)(p+1); \*p1=0x0000; 最后两句代码，从奇数边界去访问unsignedshort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error,因为它们要求必须字节对齐.

### 七.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。

八.相关文章:转自[http://blog.csdn.net/goodluckyxl/archive/2005/10/17/506827.aspx][http_blog.csdn.net_goodluckyxl_archive_2005_10_17_506827.aspx]

ARM下的对齐处理 from DUI0067D\_ADS1\_2\_CompLib

3.13 type  qulifiers

有部分摘自ARM编译器文档对齐部分

对齐的使用: 1.\_\_align(num)    这个用于修改最高级别对象的字节边界。在汇编中使用LDRD或者STRD时    就要用到此命令\_\_align(8)进行修饰限制。来保证数据对象是相应对齐。    这个修饰对象的命令最大是8个字节限制,可以让2字节的对象进行4字节    对齐,但是不能让4字节的对象2字节对齐。    \_\_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   1.不能对packed的对象进行对齐   2.所有对象的读写访问都进行非对齐访问   3.float及包含float的结构联合及未用\_\_packed的对象将不能字节对齐   4.\_\_packed对局部整形变量无影响   5.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   6.对齐或非对齐读写访问带来问题   \_\_packed struct STRUCT\_TEST  \{   char a;   int b;   char c;  \}  ;    //定义如下结构此时b的起始地址一定是不对齐的          //在栈中访问b可能有问题,因为栈上数据肯定是对齐访问\[from CL\] //将下面变量定义成全局静态不在栈上 static char\* p; static struct STRUCT\_TEST a; void Main() \{  \_\_packed int\* q;  //此时定义成\_\_packed来修饰当前q指向为非对齐的数据地址下面的访问则可以

p = (char\*)&a;           q = (int\*)(p+1);         \*q = 0x87654321; /\*   得到赋值的汇编指令很清楚 ldr      r5,0x20001590 ; = \#0x12345678 \[0xe1a00005\]   mov      r0,r5 \[0xeb0000b0\]   bl       \_\_rt\_uwrite4  //在此处调用一个写4byte的操作函数       \[0xe5c10000\]   strb     r0,\[r1,\#0\]   //函数进行4次strb操作然后返回保证了数据正确的访问 \[0xe1a02420\]   mov      r2,r0,lsr \#8 \[0xe5c12001\]   strb     r2,\[r1,\#1\] \[0xe1a02820\]   mov      r2,r0,lsr \#16 \[0xe5c12002\]   strb     r2,\[r1,\#2\] \[0xe1a02c20\]   mov      r2,r0,lsr \#24 \[0xe5c12003\]   strb     r2,\[r1,\#3\] \[0xe1a0f00e\]   mov      pc,r14 \*/

/\* 如果q没有加\_\_packed修饰则汇编出来指令是这样直接会导致奇地址处访问失败 \[0xe59f2018\]   ldr      r2,0x20001594 ; = \#0x87654321 \[0xe5812000\]   str      r2,\[r1,\#0\] \*/

//这样可以很清楚的看到非对齐访问是如何产生错误的 //以及如何消除非对齐访问带来问题 //也可以看到非对齐访问和对齐访问的指令差异导致效率问题 \}

[Link 1]: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.zh
[Link 2]: http://bangzhuzhongxin.blogbus.com/logs/11205960.html
[http_joshuafan.blogbus.com_logs_20557833.html]: http://joshuafan.blogbus.com/logs/20557833.html
[http_blog.csdn.net_goodluckyxl_archive_2005_10_17_506827.aspx]: http://blog.csdn.net/goodluckyxl/archive/2005/10/17/506827.aspx