调试经验－－字节对齐

调试经验－－字节对齐

        在使用C语言开发时，有时会遇到内存中数据对齐的问题，如果对齐问题没有判断正确，很可能导致结果完全异于预期。
        我们在调试程序时，在数据对齐方面遇到一些问题，也做了一些总结：
        1，C语言默认对齐方式；
        2，C语言强制指定对齐方式；
        3，指针数据类型转换；
        4，一个字节对齐问题的例子。

1，C语言默认对齐方式

        在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。
        结构体成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(若未指定，就是最大的成员对齐参数)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.
        这里有三点很重要:
1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度。
2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度。
3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐。
        对于数组,比如:
char a[3];这种,它的对齐方式和分别写3个char是一样的.也就是说它还是按1个字节对齐。
如果写: typedef char Array3[3];
Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度。
不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个。

2，C语言强制指定对齐方式
        可以指定为按1字节对齐，如下：
        #pragma pack(push,PACK1,1)
        或：#pragma pack(1)
        或指定为按4字节对齐，如下：
        #pragma pack(push,PACK1,4)
        或：#pragma pack(4)
        注意，要恰当的取消对齐方式，否则，强制的对齐方式会辐射影响所有相关文件，带来意料之外的结果，例如，不同文件中，同一个结构体的sizeof结果不同！！
        （包含结构体的头文件在不同文件中包含，又有其他头文件中指定了不同的对齐方式）
        #pragma pack(pop,PACK1)
        或：#pragma pack()
        按照cpu的字长进行对齐，运行效率高。

#pragma pack(8)
struct s1{
 short a;
 long b;
};
struct s2{
 char c;
 s1 d;
 long long e;
};
#pragma pack()
问 
1.sizeof(s2) = ?
2.s2的c后面空了几个字节接着是d？

结果如下：sizeof(S2)结果为24。s2的c后面空了3个字节接着是d。
                         a       b
S1的内存布局：11**,1111,
                         c     S1.a   S1.b        d
S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111

3，指针数据类型转换
        一个int,对于32位的cpu来说，通常是需要4字节对齐的。
        若对字符数组进行强制转换时，没有4字节对齐，则报错信息如下：
        Alignment trap: app.out (1980) PC=0x0002f154 Instr=0xe5932000 Address=0x004a8746 FSR 0x001
例如：
char aa[100];
int bb_used=*(int *)(aa+read_num);
而
((char *)(aa+read_num)
若read_num不是4的整数倍，则会导致
((char *)(aa+read_num)
不是4字节对齐的，将它强制转换为int，则会遇到对齐错误，取的值也不对，但是可以继续运行。
此种情况下，使用memcpy是安全的：
memcpy(&bb_used, aa+read_num, sizeof(bb_used));

4，一个字节对齐问题的例子

        我定义了一个结构体，包含4个char，4个int。另外开辟了一个字符数组，准备存储100个结构体的内容，开辟的大小是（4＋4×4）×100＝2000。结果却发现程序运行异常。后来仔细分析，发现是结构体的大小判断错了。结构体如下：

struct st1{
 char a1;
 int b1;
 char a2;
 int b2;
 char a3;
 int b3;
 char a4;
 int b4;
};
在这个结构体中，由于每个char后面紧跟一个int，而int要求4字节对齐，则char后面的3个字节是空着的。这个结构体的实际使用空间应该如下计算：
（1＋3）＋4＋（1＋3）＋4＋（1＋3）＋4＋（1＋3）＋4＝32
存放100个结构体的内容，需要内存大小为32×100＝3200。对于2000字节的数组，有严重的越界！由于越界，导致写坏了后面内存中的数据，从而运行异常。通过调整数组大小，解决问题。