C语言之内存对齐

一、为什么要内存对齐

Arm对内存的访问支持字（4byte）、半字（2byte）、字节（1byte）的直接访问，但是呢他们是有一定的要求的：

• 存取字时要求地址按字对齐，也就是地址要是4的整数倍，如0x0000、0x0004、0x0008（该地址只是举例，mcu的地址分配请参考具体手册的地址映射图）

• 存取半字是要求地址按半字对齐，也就是地址是2的倍数，这样假如通过0x0001、0x0003这样非2倍数的地址来读取一个半字就会进入硬件中断错误

• 存取字节简单，只要地址不超范围就可以

二、内存对齐的意义是什么？ 

        提高内存访问速度

        尽管内存是以字节为单位，但是大部分处理器并不是按字节块来存取内存的.它一般会以双字节,四字节,8字节,16字节甚至32字节为单位来存取内存，我们将上述这些存取单位称为内存存取粒度.

现在考虑4字节存取粒度的处理器取int类型变量（32位系统），该处理器只能从地址为4的倍数的内存开始读取数据。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器.这需要做很多工作。但如果有内存对齐机制，那么直接从0地址读出4个字节，就可以得到数据内容。

三、内存对齐规则

• 数据成员对齐：成员根据其自身大小，从自身大小的整数倍内存地址(以第一个元素存储在0位置为参考)开始存储；
• 结构体成员对齐：首个成员从偏移量 0 开始存储。后续成员偏移地址为 min(自身对齐值, 编译器指定对齐值) 的整数倍。
• 结构体总大小对齐：结构体总大小需为 最大成员对齐值 的整数倍，不足时末尾填充字节。

四、如何实现内存对齐

#pragma pack(n)   作用：强制指定对齐值为 n

#pragma pack(1)      // 设置为1字节对齐（无填充）
struct Data {char a;          // 1字节 int b;           // 4字节（紧密排列）
};                   // sizeof = 5 
#pragma pack()       // 恢复默认对齐 

__attribute__((aligned(n)))    作用：指定结构体/变量的最小对齐值。

struct __attribute__((aligned(8))) AlignStruct {char c;          // 结构体整体按8字节对齐 int i;
};                   // sizeof = 8（而非5）

注意：主要方式跨平台，由于不同平台编译器默认的对齐大小不同，导致硬件中断问题，例如Windows默认8字节对齐，Linux默认4字节

五、字节对齐应用场景

比如别人传输一大段数据过来,然后它默认一字节对齐，此时数据接收就会紊乱，这时候就必须强制对齐

typedef union  __attribute__((aligned(16)))  DataPacket {  uint16_t raw_bytes[10];     // 原始字节访问接口 struct SensorData {  uint32_t temperature; // 温度值 (4字节)uint8_t status;      // 状态标志 (1字节)uint16_t id;         // 设备ID (2字节)uint8_t status2;      // 状态标志 (1字节)uint8_t data[3];uint8_t status3;      // 状态标志 (1字节)} sensor;
} DataPacket;