對(duì)齊問題主要有3點(diǎn)：變量對(duì)齊、結(jié)構(gòu)對(duì)齊和數(shù)據(jù)對(duì)齊。前兩點(diǎn)是編譯器決定的變量映射和結(jié)構(gòu)布局。最后一點(diǎn)與CPU的架構(gòu)（CISC/RISC）有關(guān)。  在大多數(shù)情況下，對(duì)齊是編譯器和CPU的事情，和程序員沒什么關(guān)系。但在某些情況下，程序員又必須考慮對(duì)齊問題，否則會(huì)有一些麻煩。  
0 約定和預(yù)備知識(shí) 
0.1 地址邊界  
  如果把字節(jié)看作小房子，內(nèi)存就是順序排列的小房子。每個(gè)小房子都有一個(gè)順序編號(hào)的門牌號(hào)碼，例如：0,1,2,...,0xffffffff。我們 把這個(gè)門牌號(hào)碼稱作地址。本文將2的整數(shù)倍的地址記作2n邊界，將4的整數(shù)倍的地址記作4n邊界，依此類推。顯然每個(gè)地址都是1n邊界，每個(gè)4n邊界都是 2n邊界，每個(gè)8n邊界都是4n邊界。  
所謂“對(duì)齊”就是把變量放在什么樣的地址邊界上，例如：1n邊界，2n邊界，還是4n邊界。  

0.2 變量的分類 
  分類源自角度。有多少角度，就有多少分類。最近經(jīng)常被迫收聽“One World, One dream”，其實(shí)在我看來，每個(gè)生命都有獨(dú)一無二的夢(mèng)想，何況國(guó)家。如果狗熊有宗教信仰，它心目中的上帝應(yīng)該是一只相貌儒雅的狗熊吧。  

0.2.1 基本類型和復(fù)合類型  
  從構(gòu)成看，變量可以分為基本類型的變量和復(fù)合類型的變量。基本類型就是語(yǔ)言內(nèi)部支持的簡(jiǎn)單類型，例如char, short, int, double等。復(fù)合類型由基本類型組成，例如結(jié)構(gòu)。本文將基本類型的變量記作基本變量，將復(fù)合類型的變量記作復(fù)合變量或結(jié)構(gòu)變量。  
  基本變量的長(zhǎng)度目前有1、2、4、8字節(jié)。以后可能會(huì)有更大的基本變量。嵌入式環(huán)境通常不支持浮點(diǎn)，常見的長(zhǎng)度是1、2、4字節(jié)。  

0.2.2 變量的地址  
  從地址看，變量可以分成有確定地址的變量和沒有確定地址的變量。所謂“有確定地址”就是指在程序運(yùn)行前就有確定的地址。而“沒有確定地址”的變量，它們的地址是在運(yùn)行時(shí)確定的。  
  全局變量和靜態(tài)變量都有確定地址。局部變量和動(dòng)態(tài)分配的變量沒有確定地址。本文將有確定地址的變量記作有址變量。  


1 變量對(duì)齊 
1.1 沒有確定地址的變量  
  局部變量是從堆棧分配的，編譯器通常會(huì)保證每個(gè)局部變量的地址都在4n邊界上。  
  動(dòng)態(tài)分配的變量是從堆上分配。堆的實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和操作系統(tǒng)有關(guān)。在一些簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)中，我們需要自己實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，這時(shí)我們要保證每次分配的內(nèi)存塊地址都在4n邊界上，以避免后面談到的數(shù)據(jù)對(duì)齊問題。  

1.2 有確定地址的變量  
  有址變量的地址是在鏈接時(shí)確定的。編譯器通常有設(shè)置變量對(duì)齊方式的編譯選項(xiàng)，我們通常使用該選項(xiàng)的默認(rèn)值。在默認(rèn)情況下，編譯器會(huì)按照默認(rèn)方式對(duì)齊放置有址變量。 
  所謂按“按默認(rèn)方式對(duì)齊”，就是將長(zhǎng)度為1的基本變量放在1n邊界上。將長(zhǎng)度為2的基本變量放在2n邊界上。將長(zhǎng)度為4的基本變量放在4n邊界上，依此類推。  
  每個(gè)結(jié)構(gòu)變量總是由一個(gè)個(gè)基本變量構(gòu)成。結(jié)構(gòu)變量按照該結(jié)構(gòu)中最長(zhǎng)的基本變量對(duì)齊。如果某個(gè)結(jié)構(gòu)基本變量的最大長(zhǎng)度是1，編譯器就可以把這個(gè)結(jié)構(gòu)放在1n邊界上。如果某個(gè)結(jié)構(gòu)基本變量的最大長(zhǎng)度是4，編譯器就應(yīng)該把這個(gè)結(jié)構(gòu)放在4n邊界上。  
  那么結(jié)構(gòu)中的成員變量又是怎樣對(duì)齊的？  

1.3 變量對(duì)齊會(huì)帶來什么麻煩？  
  我在變量對(duì)齊問題上吃過一次虧，可以作為本節(jié)的一個(gè)例子。不過要理解這個(gè)例子，讀者必須知道ARM CPU的一個(gè)特點(diǎn)：就是長(zhǎng)度為m的基本變量必須放在mn邊界上，否則讀寫時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)訪問錯(cuò)誤，其中m=2或4。這就是第3節(jié)要介紹的數(shù)據(jù)對(duì)齊。  
  事情是這樣，我定義了幾個(gè)緩沖區(qū)（大數(shù)組），然后動(dòng)態(tài)分配這些內(nèi)存。我的錯(cuò)誤在于將這些數(shù)組定義為字節(jié)數(shù)組。我的分配算法是按塊分配，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的大小都是4的整數(shù)倍。讀者能猜到錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因了嗎？  
  由于我把緩沖區(qū)定義為字節(jié)數(shù)組，編譯器就可以把它們放在1n邊界。如果緩沖區(qū)的起始地址是奇數(shù)地址，從緩沖區(qū)分配的內(nèi)存塊的起始地址都是奇數(shù)地址。 如果這些內(nèi)存塊被用于需要按2或4字節(jié)對(duì)齊的變量，讀寫時(shí)就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)訪問錯(cuò)誤。如果編譯器恰好把這些緩沖區(qū)放在4n邊界上，問題就不會(huì)暴露出來。所以前 一次編譯可能是好的，但是下一次編譯就會(huì)發(fā)生莫名其妙的錯(cuò)誤。調(diào)試程序與偵破案件差不多，離犯罪現(xiàn)場(chǎng)越遠(yuǎn)的兇手就越難發(fā)現(xiàn)。在我透過各種表象找到根源之前，吃點(diǎn)苦頭是難免的。  
  解決問題的方法很簡(jiǎn)單，將緩沖區(qū)定義為unsigned int（下文記作uint32）的數(shù)組，編譯器自然會(huì)把它們放到4n邊界。在嵌入式系統(tǒng)中，我們經(jīng)常要為任務(wù)定義堆棧。這些堆棧通常都是uint32類型的數(shù)組。你知道為什么要把它們定義成uint32數(shù)組，而不能定義成字節(jié)數(shù)組了嗎？ 


2 結(jié)構(gòu)對(duì)齊  
2.1 基本長(zhǎng)度  
  為了描述方便，我們定義一個(gè)基本長(zhǎng)度的概念。一個(gè)基本變量的基本長(zhǎng)度就是它的長(zhǎng)度，一個(gè)結(jié)構(gòu)變量的基本長(zhǎng)度就是結(jié)構(gòu)成員中基本變量的最大長(zhǎng)度。前面說過：在默認(rèn)情況下，結(jié)構(gòu)變量就是按照其基本長(zhǎng)度對(duì)齊的。 

2.2 對(duì)齊  
  在默認(rèn)情況下，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的成員按照默認(rèn)方式對(duì)齊，即長(zhǎng)度為m的基本變量放在mn邊界上，其中m=1,2,4或8。因?yàn)橐殉蓡T對(duì)齊，結(jié)構(gòu)的各成員間就可能出現(xiàn)填充字節(jié)，結(jié)構(gòu)的大小可能大于各成員大小之和。
  例如：  
  typedef struct St1Tag  {
          char ch1;
          int num1;
          short sh1;
          short sh2;
          char ch2;  
  } St1;  
  這個(gè)結(jié)構(gòu)的基本長(zhǎng)度是4，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)的變量要放在4n邊界。成員num1的基本長(zhǎng)度為4，所以也要放在4n邊界。成員ch1從4n邊界開始，只占1個(gè)字節(jié)，所以在ch1和num1之間有3個(gè)填充字節(jié)。  
  在對(duì)齊時(shí)，編譯器會(huì)將結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度取整到基本長(zhǎng)度的整數(shù)倍。這樣以該結(jié)構(gòu)為基本類型的數(shù)組既可以連續(xù)排列，每個(gè)元素又可以對(duì)齊放置。所以，sizeof(St1)的值是16，在St1的最后一個(gè)成員ch2后面還有3個(gè)填充字節(jié)。 

2.3 緊縮  
  各編譯器都支持結(jié)構(gòu)的緊縮，即連續(xù)排列結(jié)構(gòu)的各成員變量，各成員變量之間沒有任何填充字節(jié)。這時(shí)，結(jié)構(gòu)的大小等于各成員變量大小的和。緊縮結(jié)構(gòu)的變量可以放在1n邊界，即任意地址邊界。  
  在gcc中可以這樣定義緊縮結(jié)構(gòu)：  
  typedef struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
  }  __attribute__ ((packed)) St2;  

  armcc是這樣的：  
  typedef __packed struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
  } St2;  

  VC的寫法最麻煩：  
#pragma pack(1)  
  typedef struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
  } St2;  
#pragma pack()  

  如果要同時(shí)支持gcc、armcc、VC平臺(tái)，可以把代碼寫成這樣：  
#ifdef __GNUC__  
#define GNUC_PACKED    __attribute__((packed))  
#else  
#define GNUC_PACKED  
#endif    

#ifdef __arm  
#define ARM_PACKED     __packed  
#else  
#define ARM_PACKED  
#endif    

#ifdef WIN32  
#pragma pack(1)  
#endif  
typedef ARM_PACKED struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
}  GNUC_PACKED St2;  
#ifdef WIN32  
#pragma pack()  
#endif  

其中：__GNUC__是gcc的預(yù)定義宏，__arm__是ARM編譯器的預(yù)定義宏（__arm和__arm__都可以），可以用它們識(shí)別當(dāng)前的編譯器。  

2.4 全局設(shè)置  
  在VC中，有的程序員習(xí)慣設(shè)置整個(gè)工程的struct member alignment，這對(duì)應(yīng)于命令行選項(xiàng)“/Zpi”，其中i=1,2,4,8,16。如果將這個(gè)值設(shè)為1，工程中所有結(jié)構(gòu)都是緊縮排列。緊縮排列會(huì)增大代碼量，降低結(jié)構(gòu)訪問效率。我們應(yīng)該僅在必要的時(shí)候使用緊縮結(jié)構(gòu)。 
   “/Zp1”是緊縮排列，那么“/Zp2”，“/Zp4”等選項(xiàng)是怎樣排列的呢？
  設(shè)選項(xiàng)“/Zpi”中設(shè)定的長(zhǎng)度是i，設(shè)某個(gè)結(jié)構(gòu)成員的基本長(zhǎng)度是m，則該結(jié)構(gòu)成員按照m和i中較小的值對(duì)齊。例如：如果我們?cè)O(shè)置了“/Zp2”，則基本長(zhǎng)度不大于2的成員按照基本長(zhǎng)度對(duì)齊，基本長(zhǎng)度大于2的成員按照2對(duì)齊。
  其實(shí)，我們不應(yīng)該使用“/Zp2”這么奇怪的選項(xiàng)，除非有非如此不可的理由。  

2.5 緊縮結(jié)構(gòu)的用途  
  其實(shí)最常用的結(jié)構(gòu)對(duì)齊選項(xiàng)就是：默認(rèn)對(duì)齊和緊縮。在兩個(gè)程序，或者兩個(gè)平臺(tái)之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，我們通常會(huì)將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為緊縮的。這樣不僅可以減小通信量，還可以避免對(duì)齊帶來的麻煩。假設(shè)甲乙雙方進(jìn)行跨平臺(tái)通信，甲方使用了“/Zp2”這么奇怪的對(duì)齊選項(xiàng)，而乙方的編譯器不支持這種對(duì)齊方式，那么乙方就可以理解什么叫欲哭無淚了。  
  當(dāng)我們需要一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)訪問結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)，我們通常都會(huì)希望結(jié)構(gòu)是緊縮的，這樣就不必考慮哪個(gè)字節(jié)是填充字節(jié)了。我們把數(shù)據(jù)保存到非易失設(shè)備時(shí)，通常也會(huì)采用緊縮結(jié)構(gòu)，既減小存儲(chǔ)量，也方便其它程序讀出。

2.6 細(xì)節(jié)  
  最后記錄一個(gè)小細(xì)節(jié)。gcc編譯器和VC編譯器都支持在緊縮結(jié)構(gòu)中包含非緊縮結(jié)構(gòu)，例如前面例子中的St2可以包含非緊縮的St1。但對(duì)于ARM編譯器而言，緊縮結(jié)構(gòu)包含的其它結(jié)構(gòu)必須是緊縮的。如果緊縮的St2包含了非緊縮的St1，編譯時(shí)就會(huì)報(bào)錯(cuò)：
  error:  #1031efinition of "struct St1Tag" in packed "struct St1T2g"must be __packed  


3 數(shù)據(jù)對(duì)齊
  3.1 CISC和RISC
  CPU從指令集的特點(diǎn)上可以分為兩類：CISC和RISC。CISC和RISC分別是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（Complex Instruction Set Computer）和精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ReducedInstruction Set Computer）的縮寫。
  CPU的工作可以看作以下步驟的反復(fù)循環(huán)：
  step 1: 取指令
  step 2: 取數(shù)據(jù)
  step 3: 執(zhí)行指令
  step 4: 輸出結(jié)果
CISC CPU支持很多尋址模式，因此取數(shù)據(jù)的時(shí)間是不確定的。RISC CPU的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了指令的尋址模式，除了Load/Store指令外，其它指令都采用寄存器尋址，即從寄存器讀寫數(shù)據(jù)。這種設(shè)計(jì)使取數(shù)據(jù)的時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，可以簡(jiǎn)化指令流水線的設(shè)計(jì)。
  一般而言，RISC架構(gòu)可以降低CPU的復(fù)雜性以及允許在同樣的工藝水平下生產(chǎn)出功能更強(qiáng)大的CPU，但對(duì)于編譯器的設(shè)計(jì)有更高的要求。

  3.2 對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問
  RISC CPU的Load/Store指令要求數(shù)據(jù)是對(duì)齊的。長(zhǎng)度為4的數(shù)據(jù)應(yīng)放在4n邊界上，長(zhǎng)度為2的數(shù)據(jù)應(yīng)放在2n邊界上。以ARM CPU的Load為例：  
  LDR       R5,[R4] 
  LDRSH   R7,[R6]
  LDRB     R9,[R8] 
  LDR、LDRSH、LDRB分別從存儲(chǔ)器讀取一個(gè)字、半字和字節(jié)，放到指定寄存器。例如“LDR R5,[R4]”就是從R4指向的存儲(chǔ)單元中讀一個(gè)字（長(zhǎng)度為4），放到R5中。 LDR要求數(shù)據(jù)地址在4n邊界上，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。LDRSH要求數(shù)據(jù)地址在2n邊界上，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。  
  發(fā)生什么錯(cuò)誤呢？這與具體的CPU有關(guān)，在ARM7TDMI上，非對(duì)齊訪問會(huì)導(dǎo)致程序跳到數(shù)據(jù)訪問錯(cuò)誤的處理向量，即地址0x00000010處。在ARM920T上，LDR指令可能返回錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。  CISC的CPU支持非對(duì)齊的數(shù)據(jù)讀取。  

3.3 例子  
  我們來看一個(gè)例子:  
  // 例子1 
  void test(void) {
         char a[] = {1,2,3,4,5};
         int *pi, i; 

         printf("&a[1]=%p\n", &a[1]);
         pi = (int *)&a[1];
         i = *pi;
         printf("0xx\n", i);
         *pi = 0x11223344;
         for(i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
         {
              printf("0xx ", a);  
         }
} 
關(guān)鍵是這句：          i = *pi; 和 *pi = 0x11223344;  我們知道地址pi指向的4個(gè)字節(jié)依次是：0x02,0x03,0x04,0x05。在小尾的CPU上，我們期待的輸出是0x05040302和0x01 0x44 0x33 0x22 0x11。讓我們看看這段代碼在不同平臺(tái)的運(yùn)行效果。

3.3.1 PC/Windows  
  輸出結(jié)果是： 
   &a[1]=0x0012FF25 0x05040302 
   0x01 0x44 0x33 0x22 0x11
   符合我們的預(yù)期，也說明PC的CPU支持非對(duì)齊的數(shù)據(jù)讀取。 

3.3.2 PC/Linux 
輸出結(jié)果是：
  &a[1]=0xbfa0c36c 0x05040302  
  0x01 0x44 0x33 0x22 0x11
值得注意的是gcc編譯器將局部變量a放在了1n邊界（0xbfa0c36b）上。我們希望pi是一個(gè)奇數(shù)地址，將測(cè)試代碼修改為：
  // 例子2 
  void test1(void) {
         int a[] = {0x04030201, 0x08070605};
         int *pi, i;

         pi = (int *)&((char *)&a)[1];
         printf("pi=%p ", pi);
         i = *pi;
         printf("x\n", i); 

         *pi = 0x11223344;
         for(i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
         {
              printf("0xx ", a);  
         }
} 
輸出結(jié)果是：  pi=0xbfe87fe9 0x05040302 0x22334401 0x08070611符合我們的預(yù)期。數(shù)據(jù)對(duì)齊是CPU的問題，和編譯器、操作系統(tǒng)沒有關(guān)系。  

3.3.3 ARM920T/Linux  
輸出結(jié)果是：  &a[1]=0xbec49e55 0x01040302 0x44 0x33 0x22 0x11 0x05 考慮到小尾，CPU實(shí)際讀到的4個(gè)字節(jié)依次是0x02,0x03,0x04,0x01。這個(gè)結(jié)果不是我們所預(yù)期的，CPU出錯(cuò)了。 
為什么呢？ 
在ARM中，有ARM和Thumb兩種指令。  
ARM指令：每執(zhí)行一條指令，PC的值加4個(gè)字節(jié)（32bits）.一次訪問4字節(jié)內(nèi)容，該字節(jié)的起始地址必須是4字節(jié)對(duì)齊的位置上，即地址的低兩位為bits[0b00],也就是說地址必須是4的倍數(shù)。  
Thumb指令：每執(zhí)行一條指令，PC的值加2個(gè)字節(jié)（16bits）.）.一次訪問2字節(jié)內(nèi)容，該字節(jié)的起始地址必須是2字節(jié)對(duì)齊的位置上，即地址的低兩位為bits[0b0],也就是說地址必須是2的倍數(shù)。
目前，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)寫內(nèi)存操作時(shí)，會(huì)按照地址對(duì)齊訪問（如上面的*pi = 0x11223344;實(shí)際會(huì)向((uintptr_t)(pi))& ~(4-1)對(duì)齊訪問）；而讀操作沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)律。
但是有沒有方法進(jìn)行非對(duì)齊訪問呢？為此，ARM編譯器提供了__packed關(guān)鍵字，__packed是進(jìn)行一字節(jié)對(duì)齊，
  void test2(void) {
         char a[] = {1,2,3,4,5};
         __packed int *pi, i; 

         printf("&a[1]=%p\n", &a[1]);
         pi = (int *)&a[1];
         i = *pi;
         printf("0xx\n", i);
         *pi = 0x11223344;
         for(i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
         {
              printf("0xx ", a);  
         }
} 


輸出結(jié)果是： &a[1]=0xbec49e55 0x01040302 0x01 0x44 0x33 0x22 0x11

3.3.4 ARM7TDMI 
程序在執(zhí)行：          i = *pi; 時(shí)直接跳回Data Abort的處理向量，即地址0x00000010。  

3.4 對(duì)策  
在讀取緊縮結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的緊縮成員時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生按字節(jié)讀取的代碼。我們只要在做強(qiáng)制指針轉(zhuǎn)換時(shí)細(xì)心一些就可以了。我們不應(yīng)該將指向窄數(shù)據(jù)的指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成指向?qū)挃?shù)據(jù)的指針。在可能發(fā)生數(shù)據(jù)對(duì)齊問題的地方，按字節(jié)讀取數(shù)據(jù)。