Linux 字节对齐的那些事

最近在做一个项目，遇到一个问题，运行于ARM上的threadx在与DSP通信采用消息队列的方式传递消息（最终实现原理是中断 共享内存的方式），在实际操作过程中发现threadx总是crash，于是经过排查，是因为传递消息的结构体没有考虑字节对齐的问题。

随手整理一下C语言中字节对齐的问题与大家一起分享。

一、概念

对齐跟数据在内存中的位置有关。如果一个变量的内存地址正好位于它长度的整数倍，他就被称做自然对齐。比如在32位cpu下，假设一个整型变量的地址为0x00000004，那它就是自然对齐的。

首先了解什么位、字节、字

名称	英文名	含义
位	bit	1个二进制位称为1个bit
字节	Byte	8个二进制位称为1个Byte
字	word	电脑用来一次性处理事务的一个固定长度

字长

一个字的位数，现代电脑的字长通常为16，32， 64位。(一般N位系统的字长是N/8字节。)

不同的CPU一次可以处理的数据位数是不同的，32位CPU可以一次处理32位数据，64位CPU可以一次处理64位数据，这里的位，指的就是字长。

而所谓的字长，我们有时会称为字（word）。在16位的CPU中，一个字刚好为两个字节，而32位CPU中，一个字是四个字节。若以字为单位，向上还有双字（两个字），四字（四个字）。

二、对齐规则

对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍就行了，而非标准数据类型按下面的原则对齐：　　数组 ：按照基本数据类型对齐，第一个对齐了后面的自然也就对齐了。联合 ：按其包含的长度最大的数据类型对齐。结构体：结构体中每个数据类型都要对齐。

三、如何限制定字节对齐位数？

1. 缺省

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。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

2. #pragma pack(n)

· 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。· 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

#pragma pack(n) 用来设定变量以n字节对齐方式。n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：

1. 如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式
2. 如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。

结构的总大小也有一个约束条件，如果n大于等于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数；否则必须是n的倍数。

3. __attribute

另外，还有如下的一种方式：· __attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。· attribute ((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

3. 汇编.align

汇编代码通常用.align来制定字节对齐的位数。

.align:用来指定数据的对齐方式,格式如下：

.align [absexpr1, absexpr2]
以某种对齐方式,在未使用的存储区域填充值. 第一个值表示对齐方式,4, 8,16或 32. 第二个表达式值表示填充的值。

四、为什么要对齐？

操作系统并非一个字节一个字节访问内存，而是按2，4，8这样的字长来访问。因此，当CPU从存储器读数据到寄存器，IO的数据长度通常是字长。如32位系统访问粒度是4字节(bytes), 64位系统的是8字节。当被访问的数据长度为n字节且该数据地址为n字节对齐时，那么操作系统就可以高效地一次定位到数据，无需多次读取，处理对齐运算等额外操作。数据结构应该尽可能地在自然边界上对齐。如果访问未对齐的内存，CPU需要做两次内存访问。

字节对齐可能带来的隐患:

代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。例如：

unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=