GNU 内存对齐

Posted 2022-12-10 Will.Guo

__ATTRIBUTE__ 你知多少？

GNU C 的一大特色就是__attribute__ 机制。__attribute__ 可以设置函数属性（Function Attribute ）、变量属性（Variable Attribute ）和类型属性（Type Attribute ）。

__attribute__ 书写特征是：__attribute__ 前后都有两个下划线，并切后面会紧跟一对原括弧，括弧里面是相应的__attribute__ 参数。

__attribute__ 语法格式为：__attribute__ ((attribute-list))

其位置约束为：放于声明的尾部“ ；” 之前。

 

关键字__attribute__ 也可以对结构体（struct ）或共用体（union ）进行属性设置。大致有六个参数值可以被设定，即：aligned, packed, transparent_union, unused, deprecated 和 may_alias 。

在使用__attribute__ 参数时，你也可以在参数的前后都加上“__” （两个下划线），例如，使用__aligned__而不是aligned ，这样，你就可以在相应的头文件里使用它而不用关心头文件里是否有重名的宏定义。

aligned (alignment)

该属性设定一个指定大小的对齐格式（以字节 为单位），例如：

struct S

short b[3];

__attribute__ ((aligned (8)));

typedef int int32_t __attribute__ ((aligned (8)));

该声明将强制编译器确保（尽它所能）变量类 型为struct S 或者int32_t 的变量在分配空间时采用8 字节对齐方式。

如上所述，你可以手动指定对齐的格式，同 样，你也可以使用默认的对齐方式。如果aligned 后面不紧跟一个指定的数字值，那么编译器将依据你的目标机器情况使用最大最有益的对齐方式。例如：

struct S

short b[3];

__attribute__ ((aligned));

这里，如果sizeof （short ）的大小为2 （byte ），那么，S 的大小就为6 。取一个2 的次方值，使得该值大于等于6 ，则该值为8 ，所以编译器将设置S 类型的对齐方式为8 字节。

aligned 属性使被设置的对象占用更多的空间，相反的，使用packed 可以减小对象占用的空间。

需要注意的是，attribute 属性的效力与你的连接器也有关，如果你的连接器最大只支持16 字节对齐，那么你此时定义32 字节对齐也是无济于事的。

packed

  使用该属性对struct 或者union 类型进行定义，设定其类型的每一个变量的内存约束。当用在enum 类型 定义时，暗示了应该使用最小完整的类型（it indicates that the smallest integral type should be used）。

  下面的例子中，packed_struct 类型的变量数组中的值将会紧紧的靠在一起，但内部的成员变量s 不会被“pack” ，如果希望内部的成员变量也被packed 的话，unpacked-struct 也需要使用packed 进行相应的约束。

struct unpacked_struct

      char c;

      int i;

;

         

struct packed_struct

     char c;

     int  i;

     struct unpacked_struct s;

__attribute__ ((__packed__));

下面的例子中使用__attribute__ 属性定义了一些结构体及其变量，并给出了输出结果和对结果的分析。

程序代 码为：

 1 struct p
 2 
 3 
 4 
 5 int a;
 6 
 7 char b;
 8 
 9 short c;
10 
11 __attribute__((aligned(4))) pp;
12 
13 struct m
14 
15 
16 
17 char a;
18 
19 int b;
20 
21 short c;
22 
23 __attribute__((aligned(4))) mm;
24 
25 struct o
26 
27 
28 
29 int a;
30 
31 char b;
32 
33 short c;
34 
35 oo;
36 
37 struct x
38 
39 
40 
41 int a;
42 
43 char b;
44 
45 struct p px;
46 
47 short c;
48 
49 __attribute__((aligned(8))) xx;
50 
51 int main()
52 
53 
54 
55 printf("sizeof(int)=%d,sizeof(short)=%d.sizeof(char)=%d\\n",sizeof(int),sizeof(short),sizeof(char));
56 
57 printf("pp=%d,mm=%d \\n", sizeof(pp),sizeof(mm));
58 
59 printf("oo=%d,xx=%d \\n", sizeof(oo),sizeof(xx));
60 
61 return 0;
62 
63 

输出结 果：

sizeof(int)=4,sizeof(short)=2.sizeof(char)=1

pp=8,mm=12

oo=8,xx=24

分析：

sizeof(pp):

sizeof(a)+sizeof(b)+sizeof(c)=4+1+1=6<8 所以sizeof(pp)=8

sizeof(mm):

sizeof(a)+sizeof(b)+sizeof(c)=1+4+2=7

但是 a 后面需要用 3 个字节填充，但是 b 是 4 个字节，所以 a 占用 4 字节， b 占用 4 个字节，而 c 又要占用 4 个字节。所以 sizeof(mm)=12

sizeof(oo):

sizeof(a)+sizeof(b)+sizeof(c)=4+1+2=7

因为默 认是以4 字节对齐，所以sizeof(oo)=8

sizeof(xx):

sizeof(a)+ sizeof(b)=4+1=5

sizeof(pp)=8; 即xx 是采用8 字节对齐的，所以要在a ，b 后面添3 个空余字节，然后才能存储px ，

4+1+ （3 ）+8+1=17

因为xx 采用的对齐是8 字节对齐，所以xx 的大小必定是8 的整数倍，即xx 的大小是一个比17 大又是8 的倍数的一个最小值，由此得到

17<24 ，所以sizeof(xx)=24

函数属性（Function Attribute）
函数属性可以帮助开发者把一些特性添加到函数声明中，从而可以使编译器在错误检查方面的功能更强大。__attribute__机制也很容易同非GNU应用程序做到兼容之功效。
GNU CC需要使用 –Wall编译器来击活该功能，这是控制警告信息的一个很好的方式。下面介绍几个常见的属性参数。
__attribute__ format
该__attribute__属性可以给被声明的函数加上类似printf或者scanf的特征，它可以使编译器检查函数声明和函数实际调用参数之间的格式化字符串是否匹配。该功能十分有用，尤其是处理一些很难发现的bug。
format的语法格式为：
format (archetype, string-index, first-to-check)
          format属性告诉编译器，按照printf, scanf, 
strftime或strfmon的参数表格式规则对该函数的参数进行检查。“archetype”指定是哪种风格；“string-index”指定传入函数的第几个参数是格式化字符串；“first-to-check”指定从函数的第几个参数开始按上述规则进行检查。
具体使用格式如下：
__attribute__((format(printf,m,n)))
__attribute__((format(scanf,m,n)))
其中参数m与n的含义为：
m：第几个参数为格式化字符串（format string）；
n：参数集合中的第一个，即参数“…”里的第一个参数在函数参数总数排在第几，注意，有时函数参数里还有“隐身”的呢，后面会提到；
在使用上，__attribute__((format(printf,m,n)))是常用的，而另一种却很少见到。下面举例说明，其中myprint为自己定义的一个带有可变参数的函数，其功能类似于printf：

 

//m=1；n=2
extern void myprint(const char *format,...) __attribute__((format(printf,1,2)));
//m=2；n=3
extern void myprint(int l，const char *format,...) 
__attribute__((format(printf,2,3)));
需要特别注意的是，如果myprint是一个函数的成员函数，那么m和n的值可有点“悬乎”了，例如：
//m=3；n=4
extern void myprint(int l，const char *format,...) 
__attribute__((format(printf,3,4)));
其原因是，类成员函数的第一个参数实际上一个“隐身”的“this”指针。（有点C++基础的都知道点this指针，不知道你在这里还知道吗？）
这里给出测试用例：attribute.c，代码如下：

1：
2：extern void myprint(const char *format,...) 
__attribute__((format(printf,1,2)));
3：
4：void test()
5：
6：     myprint("i=%d\\n",6);
7：     myprint("i=%s\\n",6);
8：     myprint("i=%s\\n","abc");
9：     myprint("%s,%d,%d\\n",1,2);
10：

运行$gcc –Wall –c attribute.c attribute后，输出结果为：

attribute.c: In function `test':
attribute.c:7: warning: format argument is not a pointer (arg 2)
attribute.c:9: warning: format argument is not a pointer (arg 2)
attribute.c:9: warning: too few arguments for format

如果在attribute.c中的函数声明去掉__attribute__((format(printf,1,2)))，再重新编译，既运行$gcc –Wall –c attribute.c attribute后，则并不会输出任何警告信息。
注意，默认情况下，编译器是能识别类似printf的“标准”库函数。
__attribute__ noreturn
该属性通知编译器函数从不返回值，当遇到类似函数需要返回值而却不可能运行到返回值处就已经退出来的情况，该属性可以避免出现错误信息。C库函数中的abort（）和exit（）的声明格式就采用了这种格式，如下所示：

extern void exit(int)      __attribute__((noreturn));extern void abort(void) __attribute__((noreturn)); 为了方便理解，大家可以参考如下的例子：

 1 //name: noreturn.c     ；测试__attribute__((noreturn))
 2 extern void myexit();
 3 
 4 int test(int n)
 5 
 6            if ( n > 0 )
 7           
 8                    myexit();
 9                  /* 程序不可能到达这里*/
10           
11            else
12                    return 0;
13 

编译显示的输出信息为：

$gcc –Wall –c noreturn.c
noreturn.c: In function `test':
noreturn.c:12: warning: control reaches end of non-void function

警告信息也很好理解，因为你定义了一个有返回值的函数test却有可能没有返回值，程序当然不知道怎么办了！
加上__attribute__((noreturn))则可以很好的处理类似这种问题。把
extern void myexit();修改为：
extern void myexit() __attribute__((noreturn));之后，编译不会再出现警告信息。
__attribute__ const
该属性只能用于带有数值类型参数的函数上。当重复调用带有数值参数的函数时，由于返回值是相同的，所以此时编译器可以进行优化处理，除第一次需要运算外， 其它只需要返回第一次的结果就可以了，进而可以提高效率。该属性主要适用于没有静态状态（static state）和副作用的一些函数，并且返回值仅仅依赖输入的参数。
为了说明问题，下面举个非常“糟糕”的例子，该例子将重复调用一个带有相同参数值的函数，具体如下：

extern int square(int n) __attribute__     ((const));...                  for (i = 0; i < 100; i++ )                         total += square (5) + i;              
通过添加__attribute__((const))声明，编译器只调用了函数一次，以后只是直接得到了相同的一个返回值。
事实上，const参数不能用在带有指针类型参数的函数中，因为该属性不但影响函数的参数值，同样也影响到了参数指向的数据，它可能会对代码本身产生严重甚至是不可恢复的严重后果。
并且，带有该属性的函数不能有任何副作用或者是静态的状态，所以，类似getchar（）或time（）的函数是不适合使用该属性的。
-finstrument-functions
该参数可以使程序在编译时，在函数的入口和出口处生成instrumentation调用。恰好在函数入口之后并恰好在函数出口之前，将使用当前函数的地址和调用地址来调用下面的
profiling 
函数。（在一些平台上，__builtin_return_address不能在超过当前函数范围之外正常工作，所以调用地址信息可能对profiling函数是无效的。）

void __cyg_profile_func_enter(void *this_fn, void *call_site);
void __cyg_profile_func_exit(void *this_fn, void *call_site);

其中，第一个参数this_fn是当前函数的起始地址，可在符号表中找到；第二个参数call_site是指调用处地址。
instrumentation 
也可用于在其它函数中展开的内联函数。从概念上来说，profiling调用将指出在哪里进入和退出内联函数。这就意味着这种函数必须具有可寻址形式。如 果函数包含内联，而所有使用到该函数的程序都要把该内联展开，这会额外地增加代码长度。如果要在C 代码中使用extern inline声明，必须提供这种函数的可寻址形式。
可对函数指定no_instrument_function属性，在这种情况下不会进行 Instrumentation操作。例如，可以在以下情况下使用no_instrument_function属性：上面列出的profiling函 数、高优先级的中断例程以及任何不能保证profiling正常调用的函数。
no_instrument_function
如果使用了-finstrument-functions 
，将在绝大多数用户编译的函数的入口和出口点调用profiling函数。使用该属性，将不进行instrument操作。
constructor/destructor
若函数被设定为constructor属性，则该函数会在main（）函数执行之前被自动的执行。类似的，若函数被设定为destructor属性，则该 函数会在main（）函数执行之后或者exit（）被调用后被自动的执行。拥有此类属性的函数经常隐式的用在程序的初始化数据方面。
这两个属性还没有在面向对象C中实现。
同时使用多个属性
可以在同一个函数声明里使用多个__attribute__，并且实际应用中这种情况是十分常见的。使用方式上，你可以选择两个单独的__attribute__，或者把它们写在一起，可以参考下面的例子：

/* 把类似printf的消息传递给stderr 并退出 */extern void die(const char *format, ...)                  __attribute__((noreturn))                  __attribute__((format(printf, 1, 2))); 或者写成 extern void die(const char *format, ...)                  __attribute__((noreturn, format(printf, 1, 2))); 如果带有该属性的自定义函数追加到库的头文件里，那么所以调用该函数的程序都要做相应的检查。

和非GNU编译器的兼容性
庆幸的是，__attribute__设计的非常巧妙，很容易作到和其它编译器保持兼容，也就是说，如果工作在其它的非GNU编译器上，可以很容易的忽略该属性。即使__attribute__使用了多个参数，也可以很容易的使用一对圆括弧进行处理，例如：

/* 如果使用的是非GNU C, 那么就忽略__attribute__ */#ifndef __GNUC__#     define     __attribute__(x)     /*NOTHING*/#endif 
需要说明的是，__attribute__适用于函数的声明而不是函数的定义。所以，当需要使用该属性的函数时，必须在同一个文件里进行声明，例如：

/* 函数声明 */void die(const char *format, ...) __attribute__((noreturn))                                     __attribute__((format(printf,1,2))); void die(const char *format, ...)                  /* 函数定义 */

Specifying Attributes of Variables

aligned (alignment)This attribute specifies a minimum alignment for the variable or structure field, measured in bytes. For example, the declaration:

          int x __attribute__ ((aligned (16))) = 0;
     

causes the compiler to allocate the global variable x on a 16-byte boundary. On a 68040, this could be used in conjunction with an asm expression to access themove16 instruction which requires 16-byte aligned operands.

You can also specify the alignment of structure fields. For example, to create a double-word aligned int pair, you could write:

          struct foo  int x[2] __attribute__ ((aligned (8))); ;
     

This is an alternative to creating a union with a double member that forces the union to be double-word aligned.

As in the preceding examples, you can explicitly specify the alignment (in bytes) that you wish the compiler to use for a given variable or structure field. Alternatively, you can leave out the alignment factor and just ask the compiler to align a variable or field to the maximum useful alignment for the target machine you are compiling for. For example, you could write:

          short array[3] __attribute__ ((aligned));

for more: http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.0.0/gcc/Variable-Attributes.html#Variable-Attributes

 

下面来看一个不一样的HelloWorld程序:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>   static   __attribute__((constructor)) void  before()        printf ( "Hello" );   static   __attribute__((destructor)) void  after()      printf ( " World!\\n" );   int  main( int  args, char  ** argv)        return  EXIT_SUCCESS;

 我们知道这是一个HelloWorld程序，所以输出的结果就是"Hello World!"，很简单，不需要对这点过多关心.

下面我们来关心关心别的:

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GCC 向量扩展的内存对齐问题 括弧匹配检验 将消息时间戳与颤振消息文本字段的尾部右侧对齐 GNU C字节对齐__attribute__((aligned(n))) #pragma pack(n) 2括弧匹配检验 括弧匹配检验(check.cpp)