C 语言的内存对齐要求

内存对齐为何被需要

架构规定了数据类型大小的同时，也规定了对这些类型的变量合法访问的对齐要求。也就是说，变量不能随便的放在内存的任意位置，起始地址必须满足特定的对齐要求，对不满足要求的变量强行访问就叫做非对齐访问，非对齐访问通常会触发异常。

对于一般的数据类型，比如 int, long, char 这些，要求其变量地址对齐到自身大小，比如 ARM64 中，int 变量的地址必须对齐到 4 字节，long 变量地址必须对齐到 8 字节等等。

那么对于*(int *)0x1001 = 1234;, 这类的内存访问就叫非对齐的内存访问。

即（变量 addr % 变量 size) ！= 0, 就称为非对齐内存访问。

上面说的还都是一般的数据类型，对于结构体这种复杂的类型，对齐的要求也复杂些。

然而两个要求均满足有时候根本不可能，比如一个结构体声明为:

struct foo {
  char  mem1;
  int   mem2;
  short mem3;
};

不可能同时做到 foo 变量和其成员 mem2 同时满足对齐到 4 字节，所以编译器会依据上面的两条要求在成员之间添加 padding。

除了变量中间添加 padding 外，在末尾也会添加，使得结构体数组容易满足对齐需求。

最后 foo 变量在内存中的样子可能是:

struct foo {
  char  mem1;
  char  _pad1[3];  // 保证结构体和成员均对齐正确
  int   mem2;
  short mem3;
  char  _pad2[2];  // 保证【结构体数组】对齐正确
};

若结构体的成员还是一个结构体，嵌套操作就可以了，编译器可以 handle。

对于结构体的定义来说，若不想添加 padding，可以使用__attribute((packed)) 来声明。常用于一些数据包的声明，除非你清楚自己为什么要这么做，要不别用。

上面一节说明了各个类型的变量对于内存对齐的需求，只要是各个类型变量的地址满足要求了，对所有变量的访问也就 OK 了。那么如何保证每个变量地址都满足需求呢？

对于静态分配的变量，即在编译链接时期就能确定地址，由编译器完成这项工作。编译器保证分配给这些变量的地址是满足对齐要求的，这个完全不用担心。

对于运行时动态分配的变量，例如malloc()接口返回的，其实 malloc 本身不知道要申请空间的对齐规则，因为它只接受一个 size 作为参数。所以一般来说，为了保证满足所有的对齐要求，malloc() 返回的地址总是满足最大的对齐请求，即指针的大小 8 字节。

malloc() 的实际效果与运行库的实现有关，并不是规定死的。不过我还没有见过不是按照最大对齐要求分配的实现方法:)

非对齐访问的结果是架构定义的，不同的架构可能造成的结果不同：

AArch64 架构支持 16、32、64 和 128 位的非对齐访问，但是有几个前提条件:

关闭系统的对齐检查: SCTLR_ELx.A bit 来控制
exclusive load/store 和 load-acuqire/store-release 两类指令必须是对齐访问的。这就表示构建信号量和其他锁机制时必须是对齐访问的
非对齐访问仅“普通内存”可用，"Device memory“必须是对齐访问的

AArch64 非对齐访问的原理是分解为多次的访存，所以不能保证原子性，且性能是较差的。

虽然 AArch64 支持非对齐访问，但编译器默认还是会生成满足对齐要求的代码。