對ARM處理器的內(nèi)存對齊問題

可以對齊或不對齊的內(nèi)存訪問。對齊的內(nèi)存訪問發(fā)生時的數(shù)據(jù)都位于其自然大小邊界。例如，如果該數(shù)據(jù)類型的大小是4個字節(jié)，那么它屬于被4整除的內(nèi)存地址是位于其自然大小邊界。未對齊的內(nèi)存訪問發(fā)生在所有其他情況下（在上面的例子中，內(nèi)存地址時，是不能被4整除）。ARM處理器的設(shè)計有效地訪問對齊的數(shù)據(jù)。在ARM處理器上試圖訪問未對齊的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致不正確的數(shù)據(jù)或顯著的性能損失（這些不同的癥狀會在稍后討論）。與此相反，大多數(shù)CISC型處理器（即x86）的訪問未對齊的數(shù)據(jù)是無害的。這份文件將討論一些比較常見的方式，一個應(yīng)用程序可能會執(zhí)行未對齊的內(nèi)存訪問，并提供一些建議的解決方案，以避免這些問題， 。

癥狀

上述問題，適用于所有ARM架構(gòu)。然而，根據(jù)MMU（內(nèi)存管理單元）和操作系統(tǒng)支持的可用性，應(yīng)用程序可能會看到不同的行為在不同的平臺上。默認情況下，未對齊的內(nèi)存訪問不會被困住了，會導(dǎo)致不正確的數(shù)據(jù)。與功能的MMU的平臺上，但是，OS捕獲非對齊訪問，它在運行時進行糾正。其結(jié)果將是正確的數(shù)據(jù)，但在10-20 CPU周期的成本。

常見原因

上述問題的類型轉(zhuǎn)換適用于所有ARM架構(gòu)。然而，根據(jù)MMU（內(nèi)存管理單元）和操作系統(tǒng)支持的可用性，應(yīng)用程序可能會看到不同的行為在不同的平臺上。默認情況下，未對齊的內(nèi)存訪問不會被困住了，會導(dǎo)致不正確的數(shù)據(jù)。與功能的MMU的平臺上，但是，OS捕獲非對齊訪問，它在運行時進行糾正。其結(jié)果將是正確的數(shù)據(jù)，但在10-20 CPU周期的成本。

代碼：

void my_func(char *a) { int *b = (int *)a; DBGPRINTF("%d", *b); }

這個簡單的例子，可能會導(dǎo)致未對齊的內(nèi)存訪問，因為我們不能保證的char * a是一個4字節(jié)的邊界上對齊。只要有可能，應(yīng)避免這種類型的施放。

使用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
未對齊的內(nèi)存訪問的最常見的原因源于不正確地處理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。這些數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可能包含任何數(shù)據(jù)從USB端口讀取，通過網(wǎng)絡(luò)，或從一個文件中。這個數(shù)據(jù)是很常見的包裝，有沒有插入填充，以確保數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)內(nèi)位于其自然大小邊界。在這個例子中，我們會考慮的情況下，從文件加載的Windows BMP和解析的頭。的Windows BMP文件包含一個頭的像素數(shù)據(jù)。的標(biāo)頭是由兩個結(jié)構(gòu)：

代碼：

typedef PACKED struct { unsigned short int type; /* Magic identifier */ unsigned int size; /* File size in bytes */ unsigned short int reserved1, reserved2; unsigned int offset; /* Offset to image data, bytes */ } HEADER; typedef PACKED struct { unsigned int size; /* Header size in bytes */ int width,height; /* Width and height of image */ unsigned short int planes; /* Number of colour planes */ unsigned short int bits; /* Bits per pixel */ unsigned int compression; /* Compression type */ unsigned int imagesize; /* Image size in bytes */ int xresolution,yresolution; /* Pixels per meter */ unsigned int ncolours; /* Number of colours */ unsigned int importantcolours; /* Important colours */ } INFOHEADER;

請注意，在的HEADER和INFOHEADER結(jié)構(gòu)的大小，分別為14和40字節(jié)。讓我們假設(shè)我們要確定在運行時的圖像的寬度和高度。的代碼來訪問這些數(shù)據(jù)可能看起來像這樣：

代碼：

#define INFOHEADER_OFFSET (sizeof(HEADER)) #define WIDTH_OFFSET (INFOHEADER_OFFSET + offsetof(INFOHEADER, width)) #define HEIGHT_OFFSET (INFOHEADER_OFFSET + offsetof(INFOHEADER, height)) int imageWidth, imageHeight; void * fileBuf; pMe->mFile = IFILEMGR_OpenFile(pMe->mFileMgr, "test.bmp", _OFM_READ); if (pMe->mFile) { IFILE_GetInfo(pMe->mFile, &fileInfo); fileBuf = MALLOC(fileInfo.dwSize); if (fileBuf) { result = IFILE_Read(pMe->mFile, fileBuf, fileInfo.dwSize); if (result == fileInfo.dwSize) { imageWidth = *((uint32*)(((byte*)fileBuf) + WIDTH_OFFSET)); imageHeight = *((uint32*)(((byte*)fileBuf) + HEIGHT_OFFSET)); } } }

注意的寬度和高度的偏移量。因為他們屬于一個半字邊界上，以上述方式訪問這些值會導(dǎo)致未對齊的內(nèi)存訪問。下面列出的一些推薦的方法來避免這個問題。

推薦的解決方案

使用memcpy

我們的第一個選項是，只需執(zhí)行MEMCPY從緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)到本地變量：

代碼：

if (result == fileInfo.dwSize) { MEMCPY(&imageWidth, (((byte*)fileBuf)+WIDTH_OFFSET), sizeof(uint32)); MEMCPY(&imageHeight, (((byte*)fileBuf)+HEIGHT_OFFSET), sizeof(uint32)); } 

其結(jié)果是，存儲器被字節(jié)逐字節(jié)，避免任何疑問對準。

包裝的編譯器指令

或者，我們可以使用壓縮的編譯器指令允許使用指針，直接將我們需要的數(shù)據(jù)，同時迫使編譯器來處理對齊問題。在BREW環(huán)境中，PACKED被定義如下：

代碼：

#ifdef __ARMCC_VERSION #define PACKED __packed #else #define PACKED #endif

包裝形式，通過指定一個指針，ARM編譯器將生成相應(yīng)的說明來正確地訪問內(nèi)存，無論對齊。修改后的版本，上面的例子中，使用PACKED指針，如下：

代碼：

#define INFOHEADER_OFFSET (sizeof(HEADER)) #define WIDTH_OFFSET (INFOHEADER_OFFSET + offsetof(INFOHEADER, width)) #define HEIGHT_OFFSET (INFOHEADER_OFFSET + offsetof(INFOHEADER, height)) PACKED uint32 * pImageWidth; PACKED uint32 * pImageHeight; uint32 imageWidth, imageHeight; void * fileBuf; pMe->mFile = IFILEMGR_OpenFile(pMe->mFileMgr, "test.bmp", _OFM_READ); if (pMe->mFile) { IFILE_GetInfo(pMe->mFile, &fileInfo); fileBuf = MALLOC(fileInfo.dwSize); if (fileBuf) { result = IFILE_Read(pMe->mFile, fileBuf, fileInfo.dwSize); if (result == fileInfo.dwSize) { pImageWidth = (uint32*)(((byte*)fileBuf) + WIDTH_OFFSET); pImageHeight = (uint32*)(((byte*)fileBuf) + HEIGHT_OFFSET); imageWidth = *pImageWidth; imageHeight = *pImageHeight; } } } 

雖然程序員通常會無法控制標(biāo)準化的數(shù)據(jù)格式，如BMP頭在上面的例子中，當(dāng)你定義自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)確保奠定了良好的對齊方式中的數(shù)據(jù)定義對齊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。下面的基本示例演示了這樣的原則：

代碼：

#ifdef __ARMCC_VERSION typedef PACKED struct { short a; // offsetof(a) = 0 int b; // offsetof(b) = 2 ? misalignment problem! short c; // offsetof(c) = 6 } BAD_STRUCT; typedef struct { int b; // offsetof(b) = 0 ? no problem! short a; // offsetof(a) = 4 short c; // offsetof(c) = 6 } GOOD_STRUCT; 

通過簡單地重新排列中，我們聲明的結(jié)構(gòu)成員，我們可以解決一些對齊的問題。另外請注意，如果未聲明為包裝，BAD_STRUCT，編譯器通常會插入填充，每個字段對齊。然而，這通常是不希望的，因為它浪費內(nèi)存和避免幾乎總是可以簡單地通過聲明為了減小尺寸的字段。

BREW模擬器測試

BREW模擬器3.1.2及以上版本提供了能夠使數(shù)據(jù)對齊檢查。BREW模擬器啟用此功能時，將顯示一個對話框，通知您的每一個未對齊的內(nèi)存訪問，并為您提供的選項對這一問題視而不見，或闖入的代碼，請參閱BREW SDK用戶文檔一節(jié)揗isaligned數(shù)據(jù)異常支持更多信息，此功能。注：由于x86架構(gòu)的訪問未對齊的數(shù)據(jù)不會有任何問題，你可以不編譯模擬器的DLL使用__packed指令（PACKED這就是為什么在WIN32環(huán)境下的空白被定義為）。這意味著，通過使用PACKED指針的非對齊訪問，解決依舊會觸發(fā)在模擬器的對齊檢查。