八字节对齐

Posted 2020-12-14 lwp-boy

• 字节对齐意义

　　在进行c/c++开发时，特别是要求跨平台或者网络通信的时候，都会要求进行字节对齐，那为什么需要对齐，如果不对齐会有什么问题呢。

　　（1） 存储方式：

　　　　现代计算机处理器对存储的读取都是按照特定大小字节去读写（称其为一个存储单元），比如一个变量char，它的长度为1，但是在存储器中它占用的空间是一个存储单               元。当变量字节长度小于等于一个存储单元时，都将分配一个存储单元，且存储空间永远是存储单元的整数倍。

　　（2）读写效率：

　　　　CPU访问内存都是一次访问一个存储单元，比如32位linux系统一个存储单元为4字节，当需要读取一个int数据时，只需要读取一次，如果存储单元为1字节，则需要读取4       次，通过移位等运算计算出一个int值，同样的读取一个int值，其访问内存及运算的次数远远低于一次读取一个字节。

　　（3）跨平台问题：

　　　　 各个硬件平台对存储空间的处理不尽相同，比如一些CPU访问特定的变量必须从特定的地址进行读取，嵌入式ARM架构和我们平时使用的x86架构以及不同的操作系统比如       32位操作系统和64位操作系统对存储的管理和存储单元的读写都不尽相同，如果我们的代码需要在不同的平台上运行该怎么办，我们不能每种架构和每种系统都开发一套程序                   吧。此时我们需要定义一种通用的字节对齐方式，不管什么架构与系统都能能数据进行完整正确的读写。

　　（4）网络通信问题：

　　　　在进行网络通信的时候，如果是相同的平台间进行，则无需关心字节问题，但是跨平台的通信，由于不同架构和操作系统对存储的管理不同，如果不采用发送及接收方都满      足的字节对齐方式，将导致数据的错乱甚至是程序的崩溃。

　　（5）字节对齐解决的问题：

　　　　　上面所说的问题，其实都是CPU读写是以存储单元进行的，但是我们实际运用的类型的数据大小并非和存储单元大小相同，所以存储单元存在字节填充的问题，我们的构      建的结构体等数据结构，不存在字节填充，那么上面的问题都不将存在，所以说，字节对齐是一种契约，主要解决字节填充问题。

　　（6）为什么选择8字节对齐：

　　　　就目前而言，64位操作系统默认是8字节对齐的，8字节对齐能满足各种计算架构和系统。

• 结构体内存布局

　　　　比如有如下结构体：

　　　　

　　　　32位操作系统输出：offset[a: 0， d:  4, c: 12] size: 16

　　　  64位操作系统输出：offset[a: 0， d:  8, c: 16] size: 24

　　　  为何差别会这么大，因为32为操作系统是4字节对齐（一个存储单位为4字节），64位操作系统位8字节对齐（一个存储单元为8字节）

　　　  如上结构体内存布局如下图所示：

　　　 

 

　　　　内存布局规则（32位系统4字节为存储单元为例）：

　　　　（1）如果当前的存储单元空间能不小于当前变量的大小，则存储到该存储空间，否则存储到另一个存储空间。

　　　　（2）如果变量大小查过存储单元，则分配多个存储单元进行存储。

　　　　（3）向后看齐，在一个存储单元中存在不同类型，则前面的成员向后补齐，比如存在相邻两个成员char和short，在存储short成员的时候相对char偏移两个字节。

 

• 8字节对齐规则

　　　　字节对齐主要是消除系统的字节填充，规则如下：

　　　　（1）结构体内不存在字节填充。

　　　　（2）结构体大小为8字节的整数倍。

　　　  在构建结构体时，注意以下事项：

　　　　（1）相同的类型尽量放在一块

　　　　（2）小字节类型尽量放在大字节类型之前

　　　　（3）避免有填充字节存在

　　　　（4）结构体大小为8的整数倍

• 8字节检测与对齐算法实现

　　　　有时候我们需要一些工具来检测8字节是否对齐或者生成一个对齐的结构体。

　　　　因为一般工具都选择python实现，以下为python实现的8字节检测与实现的代码（只列出检测与对齐部分，实际运用中需要进行头文件解析，提取结构体信息。枚举长度同int，结构体长度为  8，联合体当结构体处理，检测每一个结构体，如果都是8字节对齐，那该结构体即为8字节对齐）

 1 # !/usr/bin/python
 2 # coding=UTF-8
 3 
 4 BITOFFSET = lambda x, align: (x+(align-1)) & ~(align-1)
 5 
 6 
 7 class STView(object):
 8 
 9     def __init__(self):
10         self.name = None    # 结构体名
11         self.members = []   # 结构体成员，STMemberView对象
12 
13 
14 class STMemberView(object):
15 
16     def __init__(self, name=None, type_=None, size=None, number=1):
17         self.name = name    # 结构体成员名
18         self.type = type_    # 结构体成员类型
19         self.size = size    # 结构体成员大小
20         self.number = number     # 结构体成员数组大小
21 
22 
23 def check8bit(stView=STView()):
24     """
25     8字节检测
26     :param stView:
27     :return:
28     """
29     offset = 0
30     for mem in stView.members:
31         offset2 = BITOFFSET(offset, int(mem.size))
32         if offset2 != offset:
33             print "structural {0} is not 8 bit aligned with {1}. need {2} bit before {1}".34                 format(stView.name, mem.name, offset2-offset)
35             return False
36         else:
37             offset += mem.number * int(mem.size)
38     offset2 = BITOFFSET(offset, 8)
39     if offset2 != offset:
40         print "structural {0} is not 8 bit aligned with end. need {1} bit before end". 41             format(stView.name, offset2 - offset)
42         return False
43     return True
44 
45 
46 def align8bit(stView=STView()):
47     """
48     8字节自动填充
49     :param stView:
50     :return:
51     """
52     flag = index = offset = 0
53     while index < len(stView.members):
54         offset2 = BITOFFSET(offset, int(stView.members[index].size))
55         if offset2 != offset:
56             align_mem = STMemberView("filled_{0}".format(flag), "char", 1, offset2-offset)
57             stView.members.insert(index, align_mem)
58             flag += 1
59         else:
60             offset += stView.members[index].number * int(stView.members[index].size)
61             index += 1
62     offset2 = BITOFFSET(offset, 8)
63     if offset2 != offset:
64         align_mem = STMemberView("filled_{0}".format(flag), "char", 1, offset2 - offset)
65         stView.members.insert(index + 1, align_mem)
66     return True
67 
68 
69 if __name__ == "__main__":
70     st = STView()
71     """
72     例如结构体:
73     tt
74     {
75         char m1;
76         //此处差3字节
77         int m2;
78         float m3;
79         //末尾不对齐
80     }
81     """
82 
83     st.name = "tt"
84 
85     st.members.append(STMemberView(‘m1‘, "char", 1))
86     st.members.append(STMemberView(‘m2‘, "int", 4))
87     st.members.append(STMemberView(‘m3‘, "float", 4))
88 
89     check8bit(st)
90 
91     align8bit(st)
92     for mem in st.members:
93         print mem.name, mem.type, mem.size, mem.number

 执行结构如下：

 

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