stm32中使用#pragma pack(非常有用的字節對齊用法說明)


#pragma pack(4)   //按4字節對齊,但實際上由於結構體中單個成員的最大占用字節數為2字節,因此實際還是按2字節對齊

typedef struct

{

    char buf[3];//buf[1]按1字節對齊,buf[2]按1字節對齊,由於buf[3]的下一成員word a是按兩字節對齊,因此buf[3]按1字節對齊后,后面只需補一空字節

    word a;      //#pragma pack(4),取小值為2,按2字節對齊。

}kk;

#pragma pack()    //取消自定義字節對齊方式

對齊的原則是min(sizeof(word ),4)=2,因此是2字節對齊,而不是我們認為的4字節對齊。

這里有三點很重要:
1.每個成員分別按自己的方式對齊,並能最小化長度
2.復雜類型(如結構)的默認對齊方式是它最長的成員的對齊方式,這樣在成員是復雜類型時,可以最小化長度
3.對齊后的結構體整體長度必須是成員中最大的對齊參數的整數倍,這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊

補充一下,對於數組,比如:
char a[3];這種,它的對齊方式和分別寫3個char是一樣的.也就是說它還是按1個字節對齊.
如果寫: typedef char Array3[3];
Array3這種類型的對齊方式還是按1個字節對齊,而不是按它的長度.
不論類型是什么,對齊的邊界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一個.

 

聲明:
整理自網絡達人們的帖子,部分參照MSDN。

作用:
指定結構體、聯合以及類成員的packing alignment;

語法:
#pragma pack( [show] | [push | pop] [, identifier], n )

說明:
1,pack提供數據聲明級別的控制,對定義不起作用;
2,調用pack時不指定參數,n將被設成默認值;
3,一旦改變數據類型的alignment,直接效果就是占用memory的減少,但是performance會下降;

語法具體分析:
1,show:可選參數;顯示當前packing aligment的字節數,以warning message的形式被顯示;
2,push:可選參數;將當前指定的packing alignment數值進行壓棧操作,這里的棧是the internal compiler stack,同時設置當前的packing alignment為n;如果n沒有指定,則將當前的packing alignment數值壓棧;
3,pop:可選參數;從internal compiler stack中刪除最頂端的record;如果沒有指定n,則當前棧頂record即為新的packing alignment數值;如果指定了n,則n將成為新的packing aligment數值;如果指定了identifier,則internal compiler stack中的record都將被pop直到identifier被找到,然后pop出identitier,同時設置packing alignment數值為當前棧頂的record;如果指定的identifier並不存在於internal compiler stack,則pop操作被忽略;
4,identifier:可選參數;當同push一起使用時,賦予當前被壓入棧中的record一個名稱;當同pop一起使用時,從internal compiler stack中pop出所有的record直到identifier被pop出,如果identifier沒有被找到,則忽略pop操作;
5,n:可選參數;指定packing的數值,以字節為單位;缺省數值是8,合法的數值分別是1、2、4、8、16。

重要規則:
1,復雜類型中各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲,第一個成員的地址和整個類型的地址相同
2,每個成員分別對齊,即每個成員按自己的方式對齊,並最小化長度;規則就是每個成員按其類型的對齊參數(通常是這個類型的大小)和指定對齊參數中較小的一個對齊;
3,結構體、聯合體或者類的數據成員,第一個放在偏移為0的地方;以后每個數據成員的對齊,按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度兩個中比較小的那個進行;也就是說,當#pragma pack指定的值等於或者超過所有數據成員長度的時候,這個指定值的大小將不產生任何效果;

4,復雜類型(如結構體)整體的對齊是按照結構體中長度最大的數據成員和#pragma pack指定值之間較小的那個值進行;這樣當數據成員為復雜類型(如結構體)時,可以最小化長度;
5,復雜類型(如結構體)整體長度的計算必須取所用過的所有對齊參數的整數倍,不夠補空字節;也就是取所用過的所有對齊參數中最大的那個值的整數倍,因為對齊參數都是2的n次方;這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊;

對齊的算法: 由於各個平台和編譯器的不同,現以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器(32位x86平台)為例子,來討論編譯器對struct數據結構中的各成員如何進行對齊的。
在相同的對齊方式下,結構體內部數據定義的順序不同,結構體整體占據內存空間也不同,如下:
設結構體如下定義:
struct A {
int a;             //a的自身對齊值為4,偏移地址為0x00~0x03,a的起始地址0x00滿足0x00%4=0;
char b;           //b的自身對齊值為1,由於緊跟a之后的地址,即0x04滿足0x04%1=0,所以b存放在0x04地址空間
short c;          //c的自身對齊值為2,由於緊跟b之后的地址0x05%2不是0,而0x06%2=0,因此c的存放起始地址為0x06,存放在0x06~0x07空間。
                       在b和c之間的0x05地址 則補空字節。
};
結構體A中包含了4字節長度的int一個,1字節長度的char一個和2字節長度的short型數據一個。所以A用到的空間應該是7字節。但是因為編譯器要對數據成員在空間上進行對齊。 由於結構體自身對齊值取數據成員中自身對齊值的最大值,即4,並且0x00~0x07的8字節空間滿足8%4=0,所以sizeof(strcut A)值為8。
現在把該結構體調整成員變量的順序。
struct B {
char b;          //b的自身對齊值為1,其起始地址為0x00,由於滿足0x00%1=0,所以b存放在0x00地址空間
int a;             //a的自身對齊值為4,由於緊跟b之后的地址0x01%4不是0,而0x04%4=0,因此c的存放起始地址為0x04,存放在0x04~0x07空間。
                       在b和a之間的0x01~0x03地址則補3個空字節。
short c;          //c的自身對齊值為2,由於緊跟a之后的地址0x08%2=0,因此c的存放起始地址為0x08,存放在0x08~0x09空間。
};
這時候同樣是總共7個字節的變量,但是由於結構體自身對齊值取數據成員中自身對齊值的最大值,即4,並且0x00~0x09的10字節空間不滿足10%4=0,而12%4=0,所以sizeof(struct B)的值卻是12, 即在緊跟c之后的0x0A~0x0B地址還需補兩個空字節,使得整個結構體占用的字節空間為12個字節。
 
下面我們使用預編譯指令#pragma pack (value)來告訴編譯器,使用我們指定的對齊值來取代缺省的。
#pragma pack (2) /*指定按2字節對齊,等價於#pragma pack(push,2)*/
struct C {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復缺省對齊,等價於#pragma pack(pop)*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對齊值為1:
#pragma pack (1) /*指定按1字節對齊*/
struct D {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值為7。
對於char型數據,其自身對齊值為1,對於short型為2,對於int,float,long類型,其自身對齊值為4,double,long long類型,其自身對齊值為8,單位字節。

這里面有四個概念值:

1. 數據類型自身的對齊值:就是上面交代的基本數據類型的自身對齊值。
2. 指定對齊值:#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
3. 結構體或者類的自身對齊值:其數據成員中自身對齊值最大的那個值。
4. 數據成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有了這些值,我們就可以很方便的來討論具體數據結構的成員和其自身的對齊方式。
有效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值,最重要。有效對齊N,就是表示“對齊在N上”,也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".
而數據結構中的數據變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數據變量的起始地址就是數據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放,結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數倍,結合下面例子理解)。這樣就不難理解上面的幾個例子的值了。
例子分析: 分析例子B;
struct B {
char b;
int a;
short c;
};
假設B從地址空間0x0000開始排放。 該例子中沒有定義指定對齊值,在筆者環境下,該值默認為4
第一個成員變量b的自身對齊值是1,比指定或者默認指定對齊值4小, 所以其有效對齊值為1,所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.
第二個成員變量a,其自身對齊值為4,所以有效對齊值也為4, 所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續的字節空間中,符合0x0004%4=0, 且緊靠第一個變量
第三個變量c,自身對齊值為2,所以有效對齊值也是2, 可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節空間中,符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內容
再看數據結構B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這里是a)和指定對齊值(這里是4)中較小的那個,所以就是4, 所以結構體的有效對齊值也是4根據結構體圓整的要求,0x0009到0x0000=10字節,(10+2)%4=0。所以0x0000A到0x000B也為結構體B所占用。故B從0x0000到0x000B共有12個字節,sizeof(struct B)=12;
同理,分析上面例子C:
 #pragma pack (2)/*指定按2字節對齊*/
struct C {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
第一個變量b的自身對齊值為1,指定對齊值為2, 所以,其有效對齊值為1,假設C從0x0000開始,那么b存放在0x0000,符合0x0000%1=0;
第二個變量,自身對齊值為4,指定對齊值為2, 所以有效對齊值為2,所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續字節中,符合0x0002%2=0。
第三個變量c的自身對齊值為2, 所以有效對齊值為2,順序存放在0x0006、0x0007中,符合0x0006%2=0。
所以從0x0000到0x00007共八字節存放的是C的變量,又C的自身對齊值為4;
所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個字節。所以sizeof(struct C)=8.
 

更改c編譯器的缺省字節對齊方式:
在缺省情況下,c編譯器為每一個變量或數據單元按其自然對界條件分配空間;一般地可以通過下面的兩種方法來改變缺省的對界條件:
方法一:
使用#pragma pack(n),指定c編譯器按照n個字節對齊;
使用#pragma pack(),取消自定義字節對齊方式。

方法二:
__attribute(aligned(n)),讓所作用的數據成員對齊在n字節的自然邊界上;如果結構中有成員的長度大於n,則按照最大成員的長度來對齊;
__attribute((packed)),取消結構在編譯過程中的優化對齊,按照實際占用字節數進行對齊。

比如:

typedef struct

{

  ...

}__attribute__((aligned(4))) param_t;

 

綜上所述,下面給出例子並詳細分析:

例子一:
#pragma pack(4)
class TestB
{
   public:
      int aa;   //第一個成員,放在[0,3]偏移的位置,
  char a;   //第二個成員,自身長為1,#pragma pack(4),取小值,也就是1,所以這個成員按一字節對齊,放在偏移[4]的位置。由於下一成員short b是按2字節對齊,因此char a后面只需補一個空字節
  short b; //第三個成員,自身長2,#pragma pack(4),取小值為2,按2字節對齊,所以放在偏移[6,7]的位置。
  char c;   //第四個,自身長為1,放在[8]的位置。
};
可見,此類實際占用的內存空間是9個字節。(這里有疑問?按我的理解,根據規則5,結構整體的對齊是min( sizeof( int ), pack_value ) = 4,所以sizeof( TestB ) = 12; char a 占用一個字節,后面補3個空字節;short b和char c可以放在同一4字節空間中,后面只需補一個空字節。)


例子二:
#pragma pack(2)
class TestB
{
   public:
      int aa;   //第一個成員,放在[0,3]偏移的位置,
  char a;   //第二個成員,自身長為1,#pragma pack(4),取小值,也就是1,所以這個成員按一字節對齊,放在偏移[4]的位置。由於下一成員short b按2字節對齊,因此char a后面只需補一個空字節
  short b; //第三個成員,自身長2,#pragma pack(4),取2,按2字節對齊,所以放在偏移[6,7]的位置。
  char c;   //第四個,自身長為1,放在[8]的位置。
};
可見結果與例子一相同,各個成員的位置沒有改變,(這里有疑問?按我的理解,此時結構整體的對齊是min( sizeof( int ), pack_value ) = 2,所以sizeof( TestB ) = 10;char a后面補一個空字節;char c后面補一個空字節。)


例子三:
#pragma pack(4)
class TestC
{
  public:
     char a;    //第一個成員,放在[0]偏移的位置,由於下一成員short b按2字節對齊,因此char a后面只弱補一個空字節
  short b; //第二個成員,自身長2,#pragma pack(4),取2,按2字節對齊,所以放在偏移[2,3]的位置。
  char c;   //第三個,自身長為1,放在[4]的位置。
};
整個類的實際內存消耗是5個字節,(這里有疑問?按我的理解,整體按照min( sizeof( short ), 4 ) = 2對齊,所以結果是sizeof( TestC ) = 6。)


例子四:
struct Test
{
    char x1;   //第一個成員,放在[0]位置。由於下一成員short x2按2字節對齊,因此char x1后面只需補一個空字節,
    short x2; //第二個成員,自身長度為2,按2字節對齊,所以放在偏移[2,3]的位置,
    float x3;  //第三個成員,自身長度為4,按4字節對齊,所以放在偏移[4,7]的位置,
    char x4;  //第四個成員,自身長度為1,按1字節對齊,所以放在偏移[8]的位置,
};
所以整個結構體的實際內存消耗是9個字節,(這里有疑問?按我的理解,考慮到結構整體的對齊是4個字節,所以整個結構占用的空間是12個字節。char x1和short x2共用一個4字節空間,后面補一個空字節;char x4后面需要補3個空字節。)


例子五:
#pragma pack(8)

struct s1
{
    short a; //第一個,放在[0,1]位置,
    long b;  //第二個,自身長度為4,按min(4, 8) = 4對齊,所以放在[4,7]位置
};
所以結構體的實際內存消耗是8個字節。結構體的對齊是min( sizeof( long ), pack_value ) = 4字節,所以整個結構占用的空間是8個字節

struct s2
{
char c;          //第一個,放在[0]位置,
s1 d;           //第二個,根據規則四,對齊是min( 4, pack_value ) = 4字節(由於s1占用了8個字節,這里為什么不是8字節??),所以放在[4,11]位置,
long long e; //第三個,自身長度為8字節,所以按8字節對齊,所以放在[16,23]位置,
};
所以實際內存消耗是24字節。整體對齊方式是8字節,所以整個結構占用的空間是24字節。

#pragma pack()

所以:sizeof(s2) = 24, char c后面是空了3個字節接着是s1 d, s1 d后面又補了4個空字節(這里有疑問??按我的理解,char c占一個字節,后面補7個字節;s1 d占8個字節;long long e占8個字節。)


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