确定 C/C++ 结构中元素对齐的算法

Posted 2023-02-22

【中文标题】确定 C/C++ 结构中元素对齐的算法

【英文标题】：Algorithm for determining Alignment of elements in C/C++ structs

【发布时间】：2009-08-14 23:56:37

【问题描述】：

好的，请允许我重新问这个问题，因为没有一个答案是我真正感兴趣的（如果像这样对问题进行全面编辑是虚假的，我们深表歉意）。

几点：

这是使用与我正在测试的编译器不同的编译器进行的离线分析，因此 SIZEOF() 或类似方法不适用于我正在做的事情。 我知道它是由实现定义的，但我碰巧知道我感兴趣的实现，如下所示。

让我们创建一个名为 pack 的函数，它将一个整数作为输入，称为对齐，以及一个整数元组，称为元素。它输出另一个整数，称为 size。

函数的作用如下：

int pack (int alignment, int[] elements)

  total_size = 0;

  foreach( element in elements )
  
    while( total_size % min(alignment, element) != 0 )  ++total_size; 
    total_size += element;
  

  while( total_size % packing != 0 )  ++total_size; 

  return total_size;

我想我想问的是“这个函数的逆是什么？”，但我不确定逆是否是正确的术语——我不记得曾经处理过具有多个输入的函数的逆，所以我可能只是使用了一个不适用的术语。

存在我想要的东西（有点）；在这里，我提供了一个我们将称为确定对齐的函数的伪代码。不过，这个函数有点幼稚，因为它只是用不同的输入一遍又一遍地调用 pack，直到它得到它期望的答案（或失败）。

int determine_align(int total_size, int[] elements)

  for(packing = 1,2,4,...,64) // expected answers.
  
    size_at_cur_packing = pack(packing, elements);

    if(actual_size == size_at_cur_packing)
    
      return packing;
    
  

  return unknown;

所以问题是，确定对齐有没有更好的实现？

谢谢，

【参考方案1】：

C/C++ 中结构成员的对齐方式完全由实现定义。那里有一些保证，但我看不出它们会如何帮助你。

因此，没有通用的方法来做你想做的事。在特定实现的上下文中，您应该参考涵盖该实现的文档（如果已涵盖）。

【参考方案2】：

在选择如何将成员打包到struct 中时，实现不必遵循您在算法中描述的那种方案，尽管它是一种常见方案。 （即对齐的类型的最小尺寸和首选机器对齐尺寸。）

不过，您不必比较 struct 的整体大小来确定已应用于单个 struct 成员的填充。标准宏 offsetof 将给出从任何单个结构成员的 struct 开始的字节偏移量。

【参考方案3】：

我让编译器为我做对齐。

在 gcc 中，

typedef struct _foo

    u8 v1  __attribute__((aligned(4)));
    u16 v2 __attribute__((aligned(4)));
    u32 v3 __attribute__((aligned(8)));
    u8 v1  __attribute__((aligned(4)));
 foo;

编辑：请注意 sizeof(foo) 将返回正确的值，包括任何填充。

Edit2：offsetof(foo, v2) 也可以。有了这两个函数/宏，您就可以弄清楚您需要了解的有关内存中结构布局的所有信息。

【参考方案4】：

老实说，我不确定您要做什么，而且我可能完全误解了您要查找的内容，但是如果您想简单地确定结构的对齐要求是什么，请使用以下宏可能会有所帮助：

#define ALIGNMENT_OF( t ) offsetof( struct  char x; t test; , test )

要确定foo 结构的对齐方式，您可以这样做：

ALIGNMENT_OF( foo);

如果这不是您最终想要做的事情，那么宏可能有助于您提出的任何算法。

【参考方案5】：

您需要根据下一个字段的对齐方式填充，然后根据您在结构中看到的最大对齐方式填充最后一个元素。请注意，字段的实际对齐方式是其自然对齐方式和该结构的包装中的最小值。即，如果你有一个 4 字节的结构体，一个 double 将被对齐到 4 个字节，即使它的自然对齐是 8。

您可以使用total_size+= total_size % min(packing, element.size); 使您的内部循环更快，如果packing 和element.size 是2 的幂，您可以进一步优化它。

【参考方案6】：

如果问题只是您想保证特定的对齐方式，那很容易。对于特定的对齐方式=2^n：

void* p = malloc( sizeof( _foo ) + alignment -1 );
p = (void*) ( ( (char*)(p) + alignment - 1 ) & ~alignment );

我忽略了保存到从 malloc 返回的原始 p。如果您打算释放此内存，则需要将该指针保存在某处。

【讨论】：

是& ~(alignment - 1) 不是& ~alignment

【参考方案7】：

我不确定你想在这里实现什么。正如Pavel Minaev 所说，对齐由编译器处理，而编译器又受平台的应用程序二进制接口的约束，以获取可由不同编译器编译的代码访问的数据。以下论文讨论了需要实现调用约定的编译器上下文中的问题：

克里斯蒂安·林迪格和诺曼·拉姆齐。 堆栈帧的声明性组合。在 Evelyn Duesterwald，编辑，Proc。第 14 届编译器构造国际会议，Springer，LNCS 2985，2004。