A004-数据对齐的原因

今天读到一篇数据对齐的文章，明白了为什么需要数据对齐(地址对齐)。
不过作者的语言是属于作者自己的，我并不能立即理解他的全部表达。
只有我自己去思考推导之后才明白他的一些表达，因此我有必要将自己对这篇文章的解读记录下来。
原文：http://blog.csdn.net/tigerscorpio/article/details/5933807
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地址对齐

数据对齐：数据A的存储地址的地址值 必须能整出 数据A的数据长度。
例如：
2Byte 的数据、就应该被存放在地址值为2的倍数的内存上。
4Byte的数据、就应该被存放在地址值为4的倍数的内存上。
所以，我们通常说 1字节的数据无论如何都是对齐的，2字节的数据需要2字节对齐，4字节的数据需要4字节对齐。
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对齐的原因

(以32位机器为例、不考虑大小端)
数据需要对齐，是因为计算机在设计时，将32bit的数据分成4个1字节的数据，分别存放在4个内存芯片上，4个内存芯片共同构成一块最终的芯片。
4个芯片共用一条地址总线，每个内存单元的地址如下：

假如有数据A = 0x12345678，存放的地址是 0x00，是4字节对齐的。
那么这个4个字节会分别被存放在4块芯片的Offset=0处：

0x12345678 0x12存放在Chip-0的Offset=0(地址0) 0x34存放在Chip-1的Offset=0(地址1) 0x56存放在Chip-2的Offset=0(地址2) 0x78存放在Chip-3的Offset=0(地址3)

CPU读取数据A时，会向地址总线发出 addr = 0x00 的地址值，由于4块芯片共用地址总线，所以4块芯片收到的地址值都是0x00，结果是都寻址到4块芯片的Offset=0处，一次寻址就读出32bit 的数据A。
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假如数据A 不是4字节对齐 存放 的，比如存放的地址是 0x01。
那么这4个字节会分别被存放在4块芯片的如下位置：

0x12345678 0x12存放在Chip-1的Offset=0(地址1) 0x34存放在Chip-2的Offset=0(地址2) 0x56存放在Chip-3的Offset=0(地址3) 0x78存放在Chip-0的Offset=1(地址4)

读取数据A时，CPU向地址总线发出 addr = 0x01 的地址值，由于4块芯片共用地址总线，所以4块芯片收到的地址值都是0x01，结果是都寻址到4块芯片的Offset=1处。
而芯片数据A 的第4个字节0x78 是在Chip-0的Offset=1(地址4)处，而其他3个字节都不在这3块芯片的Offset=1处、而是在它们的Offset=0 处，所以这次只正确地读出数据A的第4个字节，这显然不是我们期待的结果。
要正确的取得数据A 的四个字节，CPU可以采取读两次的方式：

0x12345678 第一次读取：发送addr = 0x00，读出[Chip-0(地址0), 0x12, 0x34, 0x56] 第二次读取：发送addr = 0x01，读出[0x78, Chip-1(地址5), Chip-2(地址6), Chip-3(地址7)]

然后再将第一次读取出来的数据的第1个字节、替换成第二次读取出来的第1个字节。
这样读取的效率会很低，要读两次，最后还要组合一下。
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当然，还可以让4块芯片不共用一条地址总线，而是使用独立的4条地址总线。
一次性的发送4路地址值，直接定位到4块芯片的4个字节去，这样CPU一次就可以读出4字节的数据A了。
但是地址总线的数量会增加到原来的4倍，也就是地址线IO和配套的寄存器都增加到原来的4倍，还得修改地址译码的控制器。
这个成本是很高的，所以设计CPU的厂家也不这样干，就要设计成地址对齐。

因此地址对齐的要求就是这样来的，都是CPU设计成了这样，所以就变成了这样，目的是为了让CPU的结构更简洁。

如果我们的数据不对齐，会出现以下三种结果：

不对齐的后果 (1). CPU读到错误的数据，但CPU不报错，这个我没接触过 (2). CPU直接break，抛出一个hardfault (3). 据说x86的CPU可以采用 读2次再组装的方式 来读取 没对齐的数据，这个我也没接触过

我之前用的一款cortex-M0的芯片、一读到没对齐的数据，CPU就跳转到hardfault中断，用户程序只能调用CHIP-RESET指令重启芯片或者关机。这个芯片就是这样直接，强制罢工，强制用户将数据对齐。
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对齐规则

(假设4字节对齐，测试环境：Visual Studio 2012)
每个数据对象都有一个对齐限制，这个概念称为数据对象的对齐模数。

基本数据类型的对齐模数如下：

数据类型 对齐模数 char / uint8_t 1字节 short / uint16_t 2字节 int / uint32_t 4字节 float / uint32_t 4字节 double / uint64_t 8字节

当编译器指定的对齐模数和这些基本类型本身的对齐模数不一致时，选择较小的一个模数。
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比如编译器要求4字节对齐，那么：

数据类型 数据的对齐模数 char / uint8_t 1字节 short / uint16_t 2字节 int / uint32_t 4字节 float / uint32_t 4字节 double / uint64_t 4字节

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假如编译器要求2字节对齐，那么：

数据类型 数据的对齐模数 char /uint8_t 1字节 hort/uint16_t 2字节 int /uint32_t 2字节 float/uint32_t 2字节 double/uint64_t 2字节

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结构体的对齐

对于结构体/联合体/数组类型，它的对齐模数是其内部各成员的对齐模数的最大值。
对于结构体/联合体，还要求他占据的空间是对齐模数的倍数。
例如：

struct student{    char data;    int  number;    char addr;}stu;

它的3个成员的对齐模数各自为：

数据类型 对齐模数 char data 1字节 int number 4字节 char addr 1字节

所以student 的对齐模数是4。
student在内存中的存储情况如下：

data 存放在Offset=0。
接着空余3字节，因为这3个字节的地址都不是4对齐的。
而number 的存储需要4字节对齐，所以number只能存放在Offset=4处。
addr 存放在Offset=8处。
接着空余3字节，因为student 的对齐模数是4，他占据的空间被要求是4的倍数。
所以空余3个字节后，student 的总大小从9字节增加到12字节，是4的倍数了。
因此student 一共占据了12字节的空间。
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显然，将addr 放置在data 的后面，将number 放在addr 的后面，这样student占据的空间就降低到8字节。
因为addr 是1字节对齐，可以被存放在Offset=1处：

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位域的对齐

对于结构体中的位域的对齐，还要看其内部成员的类型和大小。
例如：

struct flame_data{    char a : 3;    char b : 3;    int  c : 2;    char d : 4;    char e : 5;}IR_data;

变量a 和 b 的类型相同，而且他们一共才6bit，可以存放在同1个字节中，因此a 和 b 共同占据1个字节。
变量c 才2bit，和前面的a、b 一共刚好是8bit，但是他们类型的长度不同，所以不能合并存储到同1个字节中，同样c 也不能和d 合并，只能单独存储。
同时c 要对4字节对齐，所以在a 和 b 占据的那1个字节之后，还需要空出3个字节，让c 存储到到地址对齐后的第4个字节。
变量d 和 e 类型相同，但是他们加起来的长度超过了8bit，因此也不能合并到同1个字节中，因此d 和 e 各自占据1个字节。
这里一共占据10个字节。
最后、flame_data 作为结构体，它占据的空间长度还需要是其对齐模数的倍数。
而flame_data 的对齐模数是4，所以在上面的10字节后面还需要增加2字节，以整除4。
因此flame_data 最终一共占据12个字节。
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特殊的位域

位域还有2个特殊的地方：
(1). 未命名的域
例如：

struct flame_k{    char a : 3;    char   : 2;    char b : 3;}k_data;

这3个域可以被合并存储到同1个字节(类型一致，总大小没超过8bit)，但未命名的第2个域不能被引用。

(2). 大小为0的域
例如：

struct flame_j{    char a : 3;    char   : 0;    char b : 3;}j_data;

大小为0的域用来将它的前后两个域隔开，禁止他们合并到一起。
所以这个位域一共占据2个字节。
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pragma pack( n )

32位机器默认是4字节对齐，但我们可以使用#pragma pack(n) 来指定n字节对齐。
如#pragma pack(4) 将对齐模数人为指定为4字节对齐。
而#pragma pack() 用来取消刚才设置的自定义对齐模数、采用编译器默认的对齐模数。