数据的对齐（alignment）

对齐(alignment)

数据的对齐(alignment)是指 数据的地址 和 由硬件条件决定的内存块大小 之间的关系。一个变量的地址是它大小的倍数的时候，这就叫做自然对齐 (naturally aligned)。例如，对于一个32bit（4 Byte）的变量，如果它的地址是4的倍数，--  就是说，如果地址的低两位是0，那么这就是自然对齐了。所以，如果一个类型的大小是2n（按：不是2乘以n，是2的n次方）个字节，那么它的地址中，至少低n位是0。对齐的规则是由硬件引起 的。一些体系的计算机在数据对齐这方面有着很严格的要求。在一些系统上，一个不对齐的数据的载入可能会引起进程的陷入。在另外一些系统，对不对齐的数据的访问是安全的，但却会引起性能的下降。在编写可移植的代码的时候，对齐的问题是必须避免的，所有的类型都该自然对齐。

预对齐内存的分配

在大多数情况下，编译器和C库透明地帮你处理对齐问题。POSIX 标明了通过malloc( ), calloc( ), 和 realloc( ) 返回的地址对于任何的C类型来说都是对齐的。在Linux中，这些函数返回的地址在32位系统是以8字节为边界对齐(按：8个字节是c基本类型中最长的数据类型double型的长度），在64位系统是以16字节为边界对齐的。有时候，对于更大的边界，例如页面，程序员需要动态的对齐。虽然动机是多种多样的，但最常见的是直接块I/O的缓存的对齐或者其它的软件对硬件的交互，因此，POSIX 1003.1d提供一个叫做posix_memalign( )的函数：

/* one or the other -- either suffices */

#define _XOPEN_SOURCE 600

#define _GNU_SOURCE

#include <stdlib.h>

int posix_memalign (void **memptr, size_t alignment, size_t size);

* See http://perens.com/FreeSoftware/ElectricFence/ and http://valgrind.org, respectively.

调用posix_memalign( )成功时会返回size字节的动态内存，并且这块内存的地址是alignment的倍数。参数alignment必须是2的幂，还是void指针的大小的倍数。返回的内存块的地址放在了memptr里面，函数返回值是0.

调用失败时，没有内存会被分配，memptr的值没有被定义，返回如下错误码之一：

EINVAL：

参数不是2的幂，或者不是void指针的倍数。

ENOMEM：

没有足够的内存去满足函数的请求。

要注意的是，对于这个函数，errno不会被设置，只能通过返回值得到。

由posix_memalign( )获得的内存通过free( )释放。用法很简单：

{

    char *buf;

    int ret;

    * allocate 1 KB along a 256-byte boundary */

    ret = posix_memalign (&buf, 256, 1024);

    if (ret) { 

        fprintf (stderr, "posix_memalign: %s\n", strerror (ret));

        return -1;

    }

    * use 'buf'... */

    free (buf);

}

更早的接口。

在POSIX定义了posix_memalign( )之前，BSD和SunOS分别提供了如下接口：

#include <malloc.h>
void * valloc (size_t size);
void * memalign (size_t boundary, size_t size);

函数valloc( )的功能和malloc( )一模一样，但返回的地址是页面对齐的。

回想第四章，页面的大小很容易通过getpagesize( )得到。

相似地，函数memalign( )是以boundary字节对齐的，而boundary必须是2的幂。

在这个例子中，两个函数都返回一块足够大的内存去容纳一个ship结构，并且地址都是在一个页面的边界上：

struct ship *pirate, *hms;
pirate = valloc (sizeof (struct ship));
if (!pirate) { 
perror ("valloc"); 
return -1;
}
hms = memalign (getpagesize ( ), sizeof (struct ship));
if (!hms) { perror ("memalign"); 
free (pirate); 
return -1;
}
/* use 'pirate' and 'hms'... */
 free (hms); 
free (pirate);

在Linux中，由这两个函数获得的内存都可以通过free( )释放。但在别的Unix系统却未必是这样，一些系统并没有提供一个足够安全的机制去释放这些内存。考虑移植性的程序不得不放弃使用这些接口来获得动态内存。Linux程序员最好只在考虑对老系统的兼容性时才使用它们；

posix_memalign( )更加强大。

只有在malloc( )不能提供足够大的对齐时，这三个接口才需要使用。

其它和对齐有关的

与对齐有关的问题的范围要超过标准类型的自然对齐和动态存储器地分配。例如，非标准和复杂的类型比标准类型有更复杂的要求。另外，对对齐的关注在给指向不同类型的指针赋值和使用强转时显得加倍的重要。

非标准类型

非标准和复杂的数据类型的对齐比简单的自然对齐有着更多的要求。这里四个有很有用的方法：

• 一个结构的对齐要求是和它的成员中最大的那个类型一样的。例如，一个结构中最大的是以4字节对齐的32bit的整形，那么这个结构至少以4字节对齐。

• 结构也引入了填充的需要，用来保证每一个成员都符合自己的对齐要求。所以，如果一个char (可能以1字节对齐)后跟着一个int (可能以4字节对齐)，编译器会自动地插入3个字节作为填充来保证int以4字节对齐。

程序员有时候排列结构里面的成员-例如，以大小来递减-来是使用作填充的垃圾空间最少。GCC的选项- Wpadded能对这些努力有帮助，因为它使得在编译器偷偷插入填充时产生警告。

• 一个联合的对齐和联合里最大的类型一样。

• 一个数组的对齐和数组里的元素一样。所以，数组的对齐并不比单单的一个成员严格，这样能使数组里面的所有成员都是自然对齐的。

与指针的快乐时光

因为编译器明确地处理了绝大多数的对齐问题，所以要找到潜在的错误的时候也比较困难。然而，这样的错误并不少见，特别是在处理指针和强转的时候。

一个指针指向由小的对齐强转到大的对齐的数据块,通过这个指针使用数据，能引起进程加载对于大的类型来说并没有适当对齐的数据。例如，在如下的代码片段，c到badnews的强转使得程序将c当unsigned long来读：

char greeting[] = "Ahoy Matey";

char *c = greeting[1];

unsigned long badnews = *(unsigned long *) c;

一个unsigned long 可能以4或8字节为边界对齐；当然c只以1字节为边界对齐。明显，强转之后，c的加载，会违反对齐规则。在不同的系统中，这样可能引起的后果，小者是性能的打击，大者是整个程序的崩溃。在能发现而不能处理对齐错误的机器结构中，内核向出问题的进程发送SIGBUS信号来终结进程。我们会在第九章讨论信号。

这种错误在现实中的普遍程度超出我们的想象，现实世界的例子虽看上去没有这么愚蠢，但亦更难以觉察了

参考文档：

<Linux system programming> 第八章

注：

POSIX 

POSIX表示 可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface ，缩写为 POSIX ），POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准，是 IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行的软件而定义的一系列API标准的总称，其正式称呼为IEEE 1003，而国际标准名称为ISO/IEC 9945。

POSIX标准意在期望获得 源代码级别的 软件可移植性。换句话说，为一个POSIX兼容的操作系统编写的程序，应该可以在任何其它的POSIX操作系统（即使是来自另一个厂商）上编译执行。

POSIX 并不局限于 UNIX。许多其它的操作系统，例如 DEC OpenVMS 支持 POSIX 标准，尤其是 IEEE Std. 1003.1-1990（1995 年修订）或 POSIX.1，POSIX.1 提供了源代码级别的 C 语言应用编程接口（API）给操作系统的服务程序，例如读写文件。POSIX.1 已经被国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）所接受，被命名为 ISO/IEC 9945-1:1990 标准。