RAM較小的MCU必須會這個技巧！結構體內(nèi)存對齊解析

時間：2020-05-27 16:08:23

關鍵字： MCU RAM 內(nèi)存

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[導讀]為什么要內(nèi)存對齊雖然所有的變量最后都會保存到特定的地址內(nèi)存中去，但是相應的內(nèi)存空間必須滿足內(nèi)存對齊的要求，主要基于存在以下兩個原因：硬件平臺原因：并不是所有的平臺都能夠訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)，某些硬件平臺只能夠訪問對齊的地址，否則就會出

為什么要內(nèi)存對齊

雖然所有的變量最后都會保存到特定的地址內(nèi)存中去，但是相應的內(nèi)存空間必須滿足內(nèi)存對齊的要求，主要基于存在以下兩個原因：

硬件平臺原因：并不是所有的平臺都能夠訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)，某些硬件平臺只能夠訪問對齊的地址，否則就會出現(xiàn)硬件異常錯誤。
性能原因：如果數(shù)據(jù)存放在未對齊的內(nèi)存空間中，則處理器在訪問變量時要做兩次次內(nèi)存訪問，而對齊的內(nèi)存訪問只需要一次。

上述兩個原因，第一個原因從字面意思上就能夠理解，那第二個原因是什么意思呢？假定現(xiàn)在有一個 32 位微處理器，那這個處理器訪問內(nèi)存都是按照 32 位進行的，也就是說一次性讀取或寫入都是四字節(jié)。假設現(xiàn)在有一個處理器要讀取一個大小為 4 字節(jié)的變量，在內(nèi)存對齊的情況下，處理器是這樣進行讀取的：

那如果數(shù)據(jù)存儲沒有按照內(nèi)存對齊的方式進行的話，處理器就會這樣進行讀?。?/p>

對比內(nèi)存對齊和內(nèi)存沒有對齊兩種情況我們可以明顯地看到：在內(nèi)存對齊的情況下，只需要兩個個步驟就可以將數(shù)據(jù)讀出來，首先處理器找到要讀出變量所在的地址，然后將數(shù)據(jù)讀出來。在內(nèi)存沒有對齊的情況下，卻需要以下四個步驟才能夠將數(shù)據(jù)取出來：

處理器找到要讀取變量所在的地址，也就是圖中紅色方塊所在位置。
由于此時內(nèi)存未對齊，處理器是 32 位的，一次性讀取或者寫入都是 4 字節(jié)，所以需要將 0-3 地址內(nèi)的數(shù)據(jù)和 4-7 地址里的數(shù)據(jù)都取出來。
由于 0 - 3 地址范圍的 0 地址里的數(shù)據(jù)不屬于我們要讀取的數(shù)據(jù)，因此將這一小塊的數(shù)據(jù)進行移位，把 0 地址里的數(shù)據(jù)移出去；同理， 4 - 7 地址范圍里的數(shù)據(jù)也要進行移位，保留 4 地址里的數(shù)據(jù)
合并移位之后的數(shù)據(jù)，得出結果

通過上述的分析，我們可以知道內(nèi)存對齊能夠提升性能，這也是我們要進行內(nèi)存對齊的原因之一。

結構體內(nèi)存對齊

對齊原則

在明白了為何要進行內(nèi)存對齊之后，我們來分析結構體內(nèi)的內(nèi)存對齊，在進行具體的實例分析前，需要給出結構體內(nèi)存對齊的兩條基本原則。

結構體各成員變量的內(nèi)存空間的首地址必須是“對齊系數(shù)”和“變量實際長度”中較小者的整數(shù)倍。
對于結構體來說，在其各個數(shù)據(jù)都對齊之后，結構體本身也需要對齊，即結構體占用的總大小應該為“對齊系數(shù)”和“最大數(shù)據(jù)長度”中較小值的整數(shù)倍。

在給定了基本原則之后，我們通過一個例子來說明結構體的內(nèi)存對齊，假定當前的處理器是 32 位的，對齊系數(shù)為4。在這里筆者選擇在上一篇文章中涉及到的一個結構體進行解析，結構體如下：

   
    struct data_test
    {
     char a; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     short b; /*本身大小 2 字節(jié)*/
     char c[2]; /*數(shù)組單個成員 1 字節(jié)*/
     double d; /*本身大小 8 字節(jié)*/
     char e; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     int f; /*本身大小 4 字節(jié)*/
     char g; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    }data;

根據(jù)我們剛剛給出的第一條對齊原則，先確定出每個變量的存儲位置，變量存儲方式是小端對齊，為了看起來更加形象，以 16 個字節(jié)作為一行來表示變量的存儲位置（這里所說的存儲位置是指相對于結構體起始地址的偏移）。

根據(jù)第一條規(guī)則：各成員的內(nèi)存空間的首地址必須是對齊系數(shù)和變量本身大小較小者的整數(shù)倍，這里對齊系數(shù)是 4，因此變量 a 、數(shù)組 c 、變量 e 、變量 g 的首地址需要滿足 1 的倍數(shù)，變量 b 的首地址需要滿足 2 的倍數(shù)，變量 d 的首地址需要滿足 4 的倍數(shù)，變量 f 的首地址需要 4 的倍數(shù)。所以也就有了上述表格中的變量存儲位置。那既然結構體內(nèi)的成員都已經(jīng)對齊了，為什么還存在第二條原則呢？也就是說為什么結構體內(nèi)的成員已經(jīng)內(nèi)存對齊了，結構體本身還需要對齊？下面通過一個結構體數(shù)組來說明，比如我們定義了這樣一個結構體數(shù)組：

   
    struct data_test
    {
     char a; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     short b; /*本身大小 2 字節(jié)*/
     char c[2]; /*數(shù)組單個成員 1 字節(jié)*/
     double d; /*本身大小 8 字節(jié)*/
     char e; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     int f; /*本身大小 4 字節(jié)*/
     char g; /*本身大小 1 字節(jié)*/
    }data[2];

我們在放置成員存儲位置的時候，data[0] 按照成員對齊的原則依次存放，放到最后一個結構體成員時，如果不考慮結構體本身的對齊，按照數(shù)組元素是緊挨著存放的原則，那這個結構體數(shù)組應該是按照下圖進行存儲的：

從上圖中我們可以看到雖然 data[0] 中的成員都對齊了，但是由于結構體本身的不對齊，導致 data[1] 中的好多成員都不對齊了，因此，在完成了結構體成員的內(nèi)存對齊后，我們還需要依據(jù)第二條原則：結構體占用的總大小應該為“對齊系數(shù)”和“最大數(shù)據(jù)長度”中較小值的整數(shù)倍，來對結構體本身進行對齊，因此正確的結構體數(shù)組的存儲位置應該如下圖所示：

這里需要注意的是，上述原則針對的是結構體占用的總大小，而不是結構體的首地址，所以，在結構體本身還沒有對齊的情況下，data[0] 的大小是 25 個字節(jié)，但是根據(jù)上述原則，在對齊系數(shù)為 4 的前提下，結構體大小應該是 4 的整數(shù)倍，所以要對結構體進行所占內(nèi)存進行填充，因此：data[0] 最終的大小是 28 字節(jié),結構體數(shù)組 data 的大小為 56 字節(jié)

結構體內(nèi)成員順序

通過上述分析我們可以很容易就想到，根據(jù)第一條原則，那么結構體成員定義的先后順序會對最終結構體占用的內(nèi)存造成影響，比如現(xiàn)在調(diào)整結構體 data 內(nèi)成員的定義順序，如下：

   
    struct data_test
    {
     char a; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     char c[2]; /*數(shù)組單個成員 1 字節(jié)*/
     char e; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     char g; /*本身大小 1 字節(jié)*/
     short b; /*本身大小 2 字節(jié)*/
     int f; /*本身大小 4 字節(jié)*/
     double d; /*本身大小 8 字節(jié)*/
    }data;

改變結構體成員順序后的存儲位置如下：

通過圖片就可以看到只有一塊藍色的填充區(qū)域，在成員對齊之后，結構體大小是 20 ，已經(jīng)是 4 的整數(shù)倍，已經(jīng)無須再做填充，所以調(diào)整順序后的結構體大小為 20 個字節(jié)，相比于之前沒有改變順序之前整整減少了 8 個字節(jié)，也可以看出結構體成員的定義順序也是需要關注的一個問題，關于結構體內(nèi)成員定義的順序應該遵循這樣一個原則：按照長度遞增的順序依次定義各個成員

如何設定對齊系數(shù)

查看默認對齊系數(shù)

在上述我們對結構體內(nèi)存對齊的分析中，我們都是假定對齊系數(shù)為 4 ，實際上對于編譯器來說都有默認的對齊系數(shù)，我們可以輸入偽指令，然后以報警信息的方式顯示當前的對齊系數(shù)：

   
    #pragma pack(show)

設置對齊系數(shù)

   
    #pragma pack(1) /*設置一字節(jié)對齊*/
    struct data_test
    {
     char a;
     short b;
     char c[2];
     double d;
     char e;
     int f;
     char g;
    } data;
    #pragma pack()/*取消一字節(jié)對齊，恢復默認對齊系數(shù)*/

在這里，設置1字節(jié)對齊其實也就相當于不進行內(nèi)存對齊，因為任何地址都可以是 1 的整數(shù)倍，最后，需要注意的是使用這種方法設置字節(jié)對齊，要在想要取消一字節(jié)對齊的地方使用偽指令 #pragma pack() 取消一字節(jié)對齊，否則后面所定義的結構體會繼續(xù)采用剛剛所設置的對齊方式。除了采用上述這樣設置一字節(jié)對齊的方式取消內(nèi)存對齊，也可以采用下面的方式取消字節(jié)對齊：

   
    struct __attribute__((packed)) data_test2
    {
     char a;
     short b;
     char c[2];
     double d;
     char e;
     int f;
     char g;
    }data;

這種方式相對于上述方法來講，不用執(zhí)行取消操作，作用域只是本結構體，不會影響其他結構體的對齊方式。最后，取消字節(jié)對齊的結構體（或者說是按照 1 字節(jié)對齊的結構體）data 的大小就是 19 個字節(jié)，即將結構體內(nèi)的所有成員的字節(jié)大小相加即可。

總結

了解結構體的內(nèi)存對齊，從而在定義結構體成員時按照最優(yōu)的順序進行定義，對于 RAM 資源比較緊缺的 MCU 來講，也是非常重要的。同時，在筆者的上篇文章《union 的概念及在嵌入式編程中的應用中》，所講到的運用 union 和 struct 嵌套來便捷地解析數(shù)據(jù)，也應該取消字節(jié)對齊（因為上篇文章最后一個例子結構體成員大小都是一個字節(jié)，內(nèi)存對齊取消與否都不影響成員的存儲位置，所以沒取消）。

參考資料 [1] https://aticleworld.com/data-alignment-and-structure-padding-bytes/

[2] https://blog.51cto.com/zhangyu/673792

本文授權轉載自公眾號“wenzi嵌入式軟件”，作者wenzid

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