LINUX对齐Align原理

最新推荐文章于 2023-05-31 09:54:28 发布

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本文深入探讨了Linux内核中实现内存地址对齐的巧妙方法，通过宏定义和位运算，确保数据结构在内存中以特定大小对齐，以提升性能。详细解析了alignment_down和alignment_up宏的工作原理，并提供了多个实例，如页面对齐和skb数据对齐。

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在Linux内核中，经常会遇到类似于如下的代码

#define __DATA_ALIGN(end, align) (((unsigned int)end+align-1)&(~(align-1)))
#define __MSG_ALIGNED(end) __DATA_ALIGN(end, 0x10)

光看字面意思，可以知道是字节align大小对齐的作用。原理上是怎么一回事，转载了一篇文章：https://blog.youkuaiyun.com/supperwangli/article/details/5142956

1. 引子
int a;
int size = 8;

如果让a为(size =8)的整数倍表示成二进制应是什么样子呢？那就是让这个数表示成二进制时的最后三位为0.
而要达到这一目标，只要下面这个数与它进行与运算就可以了:
11111111 11111111 11111111 11111000
而上面这个数实际下就是 ~ (size - 1)，可以将该数称为size的对齐掩码size_mask.

可这样做求出的是比a小的那个最大的8的倍数. 如果要求出比a大的是不是需要加上8就可以了?
可是如果a本身就是8的倍数, 这样加8不就错了吗, 所以在a基础上加上 size - 1, 然后与size的对齐掩码进行与运算.

这样, 我们可以定义下面的宏, 用于计算一个数a以size为倍数的前后两个值：
#define alignment_down(a, size) (a & (~(size-1)) )
#define alignment_up(a, size) ((a+size-1) & (~ (size-1)))

例如:
a=0, size=8, 则alignment_down(a,size)=0, alignment_up(a,size)=0.
a=6, size=8, 则alignment_down(a,size)=0, alignment_up(a,size)=8.
a=8, size=8, 则alignment_down(a,size)=8, alignment_up(a,size)=8.
a=14, size=8, 则alignment_down(a,size)=8, alignment_up(a,size)=16.

注意：size应当为2的n次方, 即2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 1024, 2048, 4096.....

2. 在linux中的应用
上面的计算方法在linux等代码中也常常可以看到,下面给出几个例子.

例１：当分配地址addr时, 要将该地址以size为倍数对齐, 而且要得到是比addr大的值, 则使用_ALIGN宏：
/* align addr on a size boundary - adjust address up if needed -- Cort */
#define _ALIGN(addr,size)   (((addr)+(size)-1)&(~((size)-1)))

例2：与页面对齐相关的宏
#define PAGE_SIZE               4096
#define PAGE_MASK               (~(PAGE_SIZE-1))
/* to align the pointer to the (next) page boundary */
#define PAGE_ALIGN(addr)        (((addr)+PAGE_SIZE-1) & PAGE_MASK)

例3：与skb分配时对齐相关的宏
#define SKB_DATA_ALIGN(X)   (((X) + (SMP_CACHE_BYTES - 1)) & ~(SMP_CACHE_BYTES - 1))

struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, int fclone)
{
    ......

    /* Get the HEAD */
    skb = kmem_cache_alloc(cache, gfp_mask & ~__GFP_DMA);
    if (!skb)
         goto out;

    /* Get the DATA. Size must match skb_add_mtu(). */
    size = SKB_DATA_ALIGN(size);
    data = kmalloc_track_caller(size + sizeof(struct skb_shared_info),  gfp_mask);
    if (!data)
         goto nodata;
    ......
}