Доступ к адресу памяти, для которого выполнено выравнивание, через преобразованный указатель на тип данных большего размера может привести к проблемам выравнивания (для разных аппаратных платформ это может проявляться по-разному). Следующий код может привести к указанной проблеме.
char dog[10];
char *p = &dog[1];
unsigned long l = *(unsigned long*)p;
В этом примере указатель на данные типа unsigned char используется, как указатель на тип unsigned long, что может привести к тому, что 32-разрядное значение типа unsigned long будет считываться из памяти по адресу, не кратному четырем.
Если вы думаете: "Зачем мне это может быть нужно?", то вы, скорее всего, правы. Тем не менее, если мы такое сделали только что, то такое можно сделать и кто-нибудь еще, поэтому необходимо быть внимательными. Примеры, которые встречаются в реальной жизни, не обязательно будут так же очевидны.
Выравнивание нестандартных типов данных
Как уже указывалось, при выравнивании адрес стандартного типа данных должен быть кратным размеру этого типа. Нестандартные (сложные) типы данных подчиняются следующим правилам выравнивания.
• Выравнивание массива выполняется так же, как и выравнивание типа данных первого элемента (все остальные элементы будут корректно выровнены автоматически).
• Выравнивание объединения (union) соответствует выравниванию самого большого, по размеру, типа данных из тех, которые включены в объединение.
• Выравнивание структуры соответствует выравниванию самого большого, по размеру, типа данных среди типов всех полей структуры.
В структурах также могут использоваться различные способы заполнения (padding).
Заполнение структур
Структуры заполняются таким образом, чтобы каждый ее элемент имел естественное выравнивание. Например, рассмотрим следующую структуру данных на 32- разрядной машине.
struct animal_struct {
char dog; /* 1 байт */
unsigned long cat; /* 4 байт */
unsigned short pig; /* 2 байт */
char fox; /* 1 байт */
};
Эта структура данных в памяти выглядит не так, что связано с необходимостью естественного выравнивания. В памяти компилятор создает структуру данных, которая похожа на следующую.
struct animal_struct {
char dog; /* 1 байт */
u8 __pad0[3]; /* 3 байт */
unsigned long cat; /* 4 байт */
unsigned short pig; /* 2 байт */
char fox; /* 1 байт */
u8 __pad1; /* 1 байт */
};
Переменные заполнения вводятся для того, чтобы обеспечить естественное выравнивание всех элементов структуры. Первая переменная заполнения вводит дополнительные затраты памяти для того, чтобы разместить поле cat на границе 4-байтового адреса. Вторая переменная используется для выравнивания размера самой структуры. Дополнительный байт гарантирует, что размер структуры будет кратен четырем байтам и что каждый элемент массива таких структур будет иметь естественное выравнивание.
Следует обратить внимание, что выражение sizeof (foo_struct) равно значению 12 для любого экземпляра этой структуры на большинстве 32-разрядных аппаратных платформ. Компилятор языка С автоматически добавляет элементы заполнения, чтобы гарантировать необходимое выравнивание.
Часто имеется возможность переставить поля структуры так, чтобы избежать необходимости заполнения. Это позволяет получить правильно выровненные данные без введения дополнительных элементов заполнения и, соответственно, структуру меньшего размера.
struct animal struct {
unsigned long cat; /* 4 байта */
unsigned short pig; /* 2 байта */
char dog; /* 1 байт */
char fox; /* 1 байт */
};
Эта структура данных имеет размер 8 байт. Однако не всегда существует возможность перестановки элементов структуры местами и изменения определения структуры. Например, если структура поставляется как часть стандарта, или уже используется в существующем коде, то порядок следования полей менять нельзя. Иногда, по некоторым причинам, может потребоваться специальный порядок следования полей структуры, например специальное выравнивание переменных для оптимизации попадания в кэш. Заметим, что, согласно стандарту ANSI С, компилятор никогда не должен менять порядок следования полей в структурах[95] данных — этим правом обладает только программист.
Разработчики ядра должны учитывать особенности заполнения при обмене структурами данных: передача структур по сети или непосредственное сохранение на диск, потому что необходимое заполнение может быть разным для различных аппаратных платформ. Это одна из причин, по которой в языке программирования С нет оператора сравнения структур. Память, которая используется для заполнения структур данных, может содержать случайную информацию, что делает невозможным побайтовое сравнение структур. Разработчики языка, программирования С правильно сделали, что оставили решение задачи сравнения структур на усмотрение программиста, который может создавать свои функции сравнения в каждом конкретном случае, чтобы использовать особенности построения конкретных структур.
Порядок следования байтов
Порядок следования байтов (byte ordering) — это порядок, согласно которому байты расположены в машинном слове. Для разных процессоров может использоваться один из двух типов нумерации байтов в машинном слове: наименее значимый (самый младший) байт является либо самым первым (самым левым, left-most), либо самым последним (самым правым, right-most) в слове. Порядок байтов называется обратным (big-endian), если наиболее значимый (самый старший) байт хранится первым, а за ним идут байты в порядке убывания значимости. Порядок байтов называется прямым (little-endian), если наименее значимый (самый младший) байт хранится первым, а за ним следуют байты в порядке возрастания значимости.
Даже не пытайтесь основываться на каких-либо предположениях о порядке следования байтов при написании кода ядра (конечно, если код не предназначен для какой-либо конкретной аппаратной платформы). Операционная система Linux поддерживает аппаратные платформы с обоими порядками байтов, включая и те машины, на которых используемый порядок байтов можно сконфигурировать на этапе загрузки системы, а общий код должен быть совместим с любым порядком байтов.
На рис. 19.1 показан пример обратного порядка следования байтов, а на рис. 19.2 — прямого порядка следования байтов.
Рис. 19.1. Обратный (big-endian) порядок следования байтов
Рис. 19.2. Прямей (little-endian) порядок следования байтов
Аппаратная платформа i386 использует прямой (little-endian) порядок байтов. Большинство других аппаратных платформ обычно использует обратный (big-endian) порядок.
Рассмотрим, что эти типы кодирования обозначают на практике и как выглядит двоичное представление числа 1027, которое хранится в виде четырехбайтового целочисленного типа данных.
95
Если бы компилятор имел возможность изменять порядок следования нолей структуры данных, то любой существующий код, который уже использует эту структуру, мог бы испортить данные. В языке программирования С функции вычисляют положение полей просто путем введения смещений от начального адреса структуры в памяти.