Linux下Data Alignment工作方式

花點時間紀錄一下自己最近所發生過的小狀況啦～


(1). Data Alignment:
  話說,個人覺得"Data alignment"的部份自己略有小著墨,但這兩三天卻被有關Data alignment的給弄掛了~狀況是這樣的,,為何傳遞的封包大小計算經sizeof(X)應該為58,但卻會大於我自己認為的大小？ 經過網路上搜尋後才意識到,,對於32bit(4 Bytes)的CPU在擷取資料時會為了效率問題而執行"Data Alignment的動作, 所以儲存的資料皆為 4 Bytes的倍數為主.下列即為人家所探討的部份. (特別是下列Ex3~Ex5的解釋, 我覺得非常有意思)
http://kf99916cs.blogspot.tw/2012/10/data-structure-alignment.html
http://kezeodsnx.pixnet.net/blog/post/27585076-data-structure%E7%9A%84%E5%B0%8D%E9%BD%8A%28alignment%29
http://linyacheng.blogspot.tw/2011/10/c-data-structure-alignment.html

Data Structure Alignment 究竟是何物？
  它是為了加快執行速度而有的一種方式
  由於 CPU 架構的關係，在讀 memory 的時候會以一個 word 為單位（在 32-bit 系統是4 bytes 為1個 word），因此 data 在儲存時，memory offset 便會是 word size 倍數，藉此增加效能

Data Structrue Alignment 分成兩個部分：
    . Data Alignment: Data Alignment 即是上述所述，data 的 memory offset 會是 word size 的倍數.
    . Data Structure Padding: 在 data structure 尾巴塞入一些無意義的 bytes，使下一個 data structure 的 memory offset 能夠對齊.

在一個 32-bit 系統，常見的 C/C++ compiler 的 default alignments為：

• char (1 byte): 1-byte aligned
• short (2 bytes): 2-byte aligned
• int (4 bytes): 4-byte aligned
• float (4 bytes): 4-byte aligned
• double (8 bytes): 8-byte aligned (in windows) / 4-byte aligned (in Linux)
• Any pointer (4 bytes): 4-byte aligned

  用法:

    #pragma pack(push)  /* push current alignment to stack */
    #pragma pack(n)     /* set alignment to n byte boundary */

    #pragma pack()     /* cancel previous alignment to n byte boundary */ 

    #pragma pack(push)  /* pop previous alignment to stack */

    __attribute__ ((pack(n))) /* 要求某個structure使用pack(n) */ 

 Ex 1: 使用系統預設的alignment下為4Bytes, 所以下列memory佔用的話是12 Bytes, 非7 Bytes.
        struct align_test
        {
                char x; //1 byte
                int y;  //4 bytes
                short int z;  //2bytes
        };

 Ex 2:如果指定的 n 大於 structure 中成員的最大 size 將不起作用，仍依 size 最大的成員進行對齊。sizeof( struct D) 就會是 4 + 1 + p(1) = 6 bytes。
    #pragma pack(2)
    struct D {                            
      int a;  
      char b;        
    };
    #pragma pack()


 Ex 3: 為了更徹底的了解系統預設alinment的行為, 請看下列解釋
 Structure's Size: 12 bytes.
   struct MixedData {
     char data1;
     short data2;     int data3;      char data4;   };
Memory Offset:

• data1：type 是 char，char 是 1-byte aligned，意思是其 memory 位置開頭必須是1 的倍數，所以就放在 0x00 的位置（假設是從 0x00 開始）
• data2：type 是 short，short 是 2-byte aligned，所以其 memory 位置開頭必須是 2的倍數，因此 0x01 就會被放置一個 1 byte 的 padding，然後在 0x02 放 data2。因為 short size 比 char size 大，因此會 allocate 2-byte memory
• data3：同理，4-byte aligned，allocate 4-byte memory
• data4：雖然 size 是 1 byte，但由於目前最大的 alignment size 為 4 bytes，因此會 allocate 4-byte memory，後面的 3 bytes 就會是 padding
• Compiler 在 alignment 時最大原則：以目前最大的 alignment size向前 padding，向後 allocate大小.

 Ex 4: 倘若細微變動Ex 3的結構的, 又會是如何?   Structure's Size: 8 bytes

     struct ReorderedMixedData {   // after reordering

        char data1;

        char data4; // reordered

        short data2;

        int data3;

     };

Memory Offset:

• 在宣告 structure 時, 成員的順序其實是會有所影響的, 因此要宣告一個好的 structure，應該要減少 padding來降低 structure 的 size.

 Ex 5: 設定 alignment pack size 為 1 byte, 因此原本 data2 和 data4 會出現 padding 的情況就消失了. 實際結果如下： Structure's Size: 8 bytes

    #pragma pack(push)  // push current alignment to stack 

    #pragma pack(1)     // set alignment to 1 byte boundary

    struct PackedData {

      char  data1;

      short data2;

      int   data3;

      char  data4;

    };

    #pragma pack(pop)   // restore original alignment from stack

P.S:
   (a). 宣告 structure 時，成員的順序看起來沒有影響，但其實是有的，一個好的 structure 應該要減少 padding 產生，這樣便能降低 structure 的大小.    (b). pack(n) 如果n比structure中最大member size還大 那還是會用最大member的size來alignment 
   (c). 在網路傳輸資料時, 需要用pack(1)來避免compiler作padding的動作.