小心内存对齐

什么是内存对齐？

CPU在读取内存地址的时候，一定按照一定的偏移量去读取，不知道你发现了没有，我们没有看到一个变量的大小是 3 个字节的，都是 1 个字节，2个字节，4个字节，8个字节，16个字节，32个字节。

为什么会这样呢？因为CPU设计的时候，没有一个 3 、5、7、9这样的模子，因为设计这样的模子非常费劲。

为什么要内存对齐？

之前网上有一个一个例子，如果一个变量int 的起始地址偏移是3，那么CPU要取这个地址上的数据，需要取两次，为什么呢？

640?wx_fmt=png 假设一个变量在内存的位置从地址 1开始存放数据，因为这个是int类型，它占用4个字节的内存空间。

我们用一个int 的模子「int模子是4个字节」来卡这个数据，实际上是这样操作的，第一次卡模子，只能从0开始 640?wx_fmt=png 第二次卡模子，再从3位置开始从图片上可以明显看出来，我们需要CPU卡两次模子，才取到在内存里面的 int 变量

如果int 是按照内存对齐的方式存放的呢？

640?wx_fmt=png 很明显，我们只需要卡一次模子就可以取到数据了。

内存对齐引发的问题

前两天，我们群上有一个同学，发了一份这样的代码出来，代码写得还是有一点风骚的，这位同学说，这个代码在A单片机上运行得非常OK，也已经出货了几万台了，但是这个代码移植到单片机B上后，就挂了，大家帮忙看看这个代码有什么问题？

uint8_t buf[16];	
uint8_t i;	
uint16_t data;	for (i=0; i<16; i+=2)	
{	data = *((uint16_t *)&buf[i]);	
}

问题的原因

经过一段激烈的讨论，后面发现是内存对齐的问题，一个群友画了一个图，写的很清楚了，因为char 是对单字节对齐的，所以没有问题，但是uint16_t 默认是对双字对齐的，所以如果初始地址是奇数的话，最后就出现内存越界了。 640?wx_fmt=png

一个图片说明不同数据类型的内存对齐

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使用#pragma pack()限定内存对齐

我们可以使用宏 #pragma pack() 来指定内存对齐的方式，这里我就不展开说明了，如果说明太多了，后面用一个文章来单独说明，喜欢了解的同学可以百度看看，内容还是比较多的。

内存对齐可以提升CPU效率

我们知道单字节对齐的效率应该是最低的，我给两个代码给大家看看，比较一下，单字节和双字节内存对齐对CPU效率的影响。

单字节对齐函数

void Munge8( void ∗data, uint32_t size ) {	uint8_t ∗data8 = (uint8_t∗) data;	uint8_t ∗data8End = data8 + size;	while( data8 != data8End ) {	∗data8++ = ‑∗data8;	}	
}

双字节对齐函数

void Munge16( void ∗data, uint32_t size ) {	uint16_t ∗data16 = (uint16_t∗) data;	uint16_t ∗data16End = data16 + (size >> 1); /∗ Divide size by 2. ∗/	uint8_t ∗data8 = (uint8_t∗) data16End;	uint8_t ∗data8End = data8 + (size & 0x00000001); /∗ Strip upper 31 bits. ∗/	while( data16 != data16End ) {	∗data16++ = ‑∗data16;	}	while( data8 != data8End ) {	∗data8++ = ‑∗data8;	}	
}

这个代码大家可以直接拿去执行试试，最终的结果如下面的图片

640?wx_fmt=png

果修改成 4 字节对齐的话，结果将会更加有意思

四字对齐函数

void Munge32( void ∗data, uint32_t size ) {	uint32_t ∗data32 = (uint32_t∗) data;	uint32_t ∗data32End = data32 + (size >> 2); /∗ Divide size by 4. ∗/	uint8_t ∗data8 = (uint8_t∗) data32End;	uint8_t ∗data8End = data8 + (size & 0x00000003); /∗ Strip upper 30 bits. ∗/	while( data32 != data32End ) {	∗data32++ = ‑∗data32;	}	while( data8 != data8End ) {	∗data8++ = ‑∗data8;	}	
}

640?wx_fmt=png 他们的效率主要体现在字节不对齐的时候，如果字节默认已经是对齐的时候，那效果更是快得飞起。