C语言字节对齐关键字__attribute_

C语言字节对齐关键字__attribute__((aligned(n)))的使用

0 前言

在进行嵌入式开发的过程中，我们经常会见到对齐操作。这些对齐操作有些是为了便于实现指针操作，有些是为了加速对内存的访问。因此，学习如何使用对齐关键字是对于嵌入式开发是很有必要的。

1 对齐规则

1.0 什么叫做对齐

众所周知，内存的最小单位是字节。理论上，CPU可以访问内存上任意地址的数据，但实际上数据在内存中的分布并不是随意的，它们往往会遵循一定的对齐规则，使CPU访问这些数据的速度提升。
对齐实际上就是将变量存储的首地址按照1、2、4、8字节对齐，如果按照2字节对齐则变量在内存中的首地址必须是2的倍数，其它字节对齐方式也是如此。

1.1 默认的对齐方式

根据使用处理器、编译器的不同，变量在内存中的地址对齐方式不同。例如常见的STM32默认4字节对齐，本文使用的x64+vscode环境默认8字节对齐。

1.2 关键字attribute((aligned(n)))介绍

__attribute__((aligned(n)))
__attribute__((packed))

（1）attribute((aligned(n)))：它的作用是对结构体整体进行n（n必须是2的幂）字节对齐，而不是为结构体成员进行对齐（使用结构体成员最大占用字节和指定字节对齐大小中最大的那个作为对齐标准）。它可以针对某个结构体进行对齐，也可以写在外部，对其后面的所有变量进行对齐操作
（2）attribute((packed))：按照1字节对齐（取消对齐）

2 实例测试

2.1 结构体成员默认的对齐方式

测试说明：
这里使用的是64位电脑，经过vscode后默认的对齐方式为按8字节对齐。
示例程序：

#include "stdio.h"

typedef struct
{
    unsigned char a;
    unsigned short int b;
    unsigned int c;
    double d;
} test_t;
test_t test;
int main(void)
{
    printf("a addr : 0x%x\r\n", &test.a);
    printf("b addr : 0x%x\r\n", &test.b);
    printf("c addr : 0x%x\r\n", &test.c);
    printf("d addr : 0x%x\r\n", &test.d);
    return 0;
}

我们这里定义了1个名为test_t的结构体，成员a、b、c、d的大小分别为1、2、4、8字节。在不做任何对齐操作下，打印a、b、c、d在内存上的地址：
在这里插入图片描述

可以看到，成员在结构体的分布对齐方式分别是1、2、4、8字节，同时结构体首地址也就是成员a的地址是按照8字节对齐的。它们在内存中的分布可以用如下示意图表示：
在这里插入图片描述

2.2 设置结构体成员按照1字节对齐

测试说明：
这里使用的是64位电脑，经过vscode后默认的对齐方式为按8字节对齐。
示例程序：

typedef struct __attribute__((packed))
{
    unsigned char a;
    unsigned short int b;
    unsigned int c;
    double d;
} test_t;
test_t test;

int main(void)
{
    printf("a addr : 0x%x\r\n", &test.a);
    printf("b addr : 0x%x\r\n", &test.b);
    printf("c addr : 0x%x\r\n", &test.c);
    printf("d addr : 0x%x\r\n", &test.d);
    return 0;
}

我们这里定义了1个名为test_t的结构体，成员a、b、c、d的大小分别为1、2、4、8字节。在按照1字节对齐之后，打印a、b、c、d在内存上的地址：
在这里插入图片描述
可以看到，成员在结构体的分布对齐方式是1字节，同时结构体首地址也就是成员a的地址是按照1字节对齐的。可以用如下的示意图表示使用__attribute__((packed))前后结构体成员在内存中的分布：

2.3 设置结构体变量32字节对齐

示例程序：

#include "stdio.h"
__attribute__((aligned(32)))
typedef struct
{
    unsigned char a;
    unsigned short int b;
    unsigned int c;
    double d;
} test_t;
test_t test;

int main(void)
{
    printf("a addr : 0x%x\r\n", &test.a);
    printf("b addr : 0x%x\r\n", &test.b);
    printf("c addr : 0x%x\r\n", &test.c);
    printf("d addr : 0x%x\r\n", &test.d);
    return 0;
}

我们这里定义了1个名为test_t的结构体，成员a、b、c、d的大小分别为1、2、4、8字节。在按照1字节对齐之后，打印a、b、c、d在内存上的地址：
在这里插入图片描述
可以看到，结构体首地址也就是成员a的地址是按照32字节对齐的。可以用如下的示意图表示使用__attribute__((aligned(32)))前后结构体及其成员在内存中的分布：