逻辑地址与物理地址转换 和 字节对齐

例如，一个逻辑地址已经被转换成了线性地址，0x08147258，换成二制进，也就是：

　　0000100000 0101000111 001001011000

　　内核对这个地址进行划分，

　　PGD = 0000100000
　　PUD = 0
　　PMD = 0
　　PT = 0101000111
　　offset = 001001011000

　　现在来理解Linux针对硬件的花招，因为硬件根本看不到所谓PUD,PMD，所以，本质上要求PGD索引，直接就对应了PT的地址。而不是再 到PUD和PMD中去查数组（虽然它们两个在线性地址中，长度为0，2^0 =1，也就是说，它们都是有一个数组元素的数组），那么，内核如何合理安排地址呢？

　　从软件的角度上来讲，因为它的项只有一个，32位，刚好可以存放与PGD中长度一样的地址指针。那么所谓先到PUD，到到PMD中做映射转换， 就变成了保持原值不变，一一转手就可以了。这样，就实现了“逻辑上指向一个PUD，再指向一个PDM，但在物理上是直接指向相应的PT的这个抽像，因为硬 件根本不知道有PUD、PMD这个东西”。然后交给硬件，硬件对这个地址进行划分，看到的是：

　　页目录 = 0000100000

　　PT = 0101000111

　　offset = 001001011000

　　嗯，先根据0000100000(32)，在页目录数组中索引，找到其元素中的地址，取其高20位，找到页表的地址，页表的地址是由内核动态分配的，接着，再加一个offset，就是最终的物理地址了。

union u { 　double a; 　int b; };  union u2 { 　char a[13]; 　int b; };  union u3 { 　char a[13]; 　char b; };  cout<<sizeof(u)<<endl; // 8 cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16 cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13

　　都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char[13]类型的数组，为什么u3的大小是13，而u2是16呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。 

　　结论：复合数据类型，如union，struct，class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。 

　　顺便提一下CPU对界问题，32的C++采用8位对界来提高运行速度，所以编译器会尽量把数据放在它的对界上以提高内存命中率。对界是可以更改的，使用#pragma pack(x)宏可以改变编译器的对界方式，默认是8。C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。例如，指定编译器按2对界，int类型的大小是4，则int的对界为2和4中较小的2。在默认的对界方式下，因为几乎所有的数据类型都不大于默认的对界方式8（除了long double），所以所有的固有类型的对界方式可以认为就是类型自身的大小。更改一下上面的程序： 

#pragma pack(2) union u2 { 　char a[13]; 　int b; };  union u3 { 　char a[13]; 　char b; }; #pragma pack(8)  cout<<sizeof(u2)<<endl; // 14 cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13

　　由于手动更改对界方式为2，所以int的对界也变成了2，u2的对界取成员中最大的对界，也是2了，所以此时sizeof(u2)=14。 

　　结论：C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。 

　　9、struct的sizeof问题 

　　因为对齐问题使结构体的sizeof变得比较复杂，看下面的例子：(默认对齐方式下) 

struct s1 { 　char a; 　double b; 　int c; 　char d;  };  struct s2 { 　char a; 　char b; 　int c; 　double d; };  cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24 cout<<sizeof(s2)<<endl; // 16

　　同样是两个char类型（1），一个int类型（4），一个double类型（8），但是因为对界问题，导致他们的大小不同。计算结构体大小可以采用元素摆放法，我举例子说明一下：首先，CPU判断结构体的对界，根据上一节的结论，s1和s2的对界都取最大的元素类型，也就是double类型的对界8。然后开始摆放每个元素。

　　对于s1，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲的地址是1，但是下一个元素d是double类型，要放到8的对界上，离1最接近的地址是8了，所以d被放在了8，此时下一个空闲地址变成了16，下一个元素c的对界是4，16可以满足，所以c放在了16，此时下一个空闲地址变成了20，下一个元素d需要对界1，也正好落在对界上，所以d放在了20，结构体在地址21处结束。由于s1的大小需要是8的倍数，所以21-23的空间被保留，s1的大小变成了24。

　　对于s2，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲地址是1，下一个元素的对界也是1，所以b摆放在1，下一个空闲地址变成了2；下一个元素c的对界是4，所以取离2最近的地址4摆放c，下一个空闲地址变成了8，下一个元素d的对界是8，所以d摆放在8，所有元素摆放完毕，结构体在15处结束，占用总空间为16，正好是8的倍数。 

　　这里有个陷阱，对于结构体中的结构体成员，不要认为它的对齐方式就是他的大小，看下面的例子： 

struct s1 { 　char a[8]; };  struct s2 { 　double d; };  struct s3 { 　s1 s; 　char a; };  struct s4 { 　s2 s; 　char a;  };  cout<<sizeof(s1)<<endl; // 8 cout<<sizeof(s2)<<endl; // 8 cout<<sizeof(s3)<<endl; // 9 cout<<sizeof(s4)<<endl; // 16;

　　s1和s2大小虽然都是8，但是s1的对齐方式是1，s2是8（double），所以在s3和s4中才有这样的差异。 

　　所以，在自己定义结构体的时候，如果空间紧张的话，最好考虑对齐因素来排列结构体里的元素。

 

结论:struct 里面的元素是顺序存储的,每个元素占用的字节数根据对齐字节数N(struct 里占用字节最多的元素与CPU对齐字节数中较小的一个)进行调整.如果从左至右M个元素加起来的字节数大于N,则按从右至左舍去K个元素直至M-K个元素加起来的字节数小于等于N,如果等于N则不用字节填充,小于N则把M-K-1的元素填充直至=N. 

 

#pragma pack也可以这样：

他完全的写法是：

#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n  )

【】里面的是可有可无的但是n一定要指定，如果没有编译器默认n＝8

使用方式：

1. #pragma pack(push) //保存对齐状态 
2. #pragma pack(1)//设定为1字节对齐 
3. #pragma pack(show); //编译的时候会在警告信息里面体现具体的字长的设置信息 
4. struct test 
5. { 
7.     char m1; 
9.     double m4; 
10.     int   m3; 
11. }; 
12. #pragma pack(pop)

test将不再以double的大小为准则，开始用1个字节的对齐方式。

 

另外一种设置对齐方式的是：

__declspec( align( # ) )

里面＃必须的是2的n次方，从1，2，4，8，16到8192，这样的话，如果定义一个结构体，他将以结构体的大小为准，补足到最临近的＃的的整数倍。

比如：

1. __declspec(align(8)) struct Str1{
2.     int a, b, c, d, e;
3.     char f;
4.     char *g;
5. }; //本身是25个字节补足到最近的8的倍数也就是32
6. __declspec(align(4)) struct Str1{
7.     int a, b, c, d, e;
8.     char f;
9.     char *g;
10. }; //本身是25个字节补足到最近的4的倍数也就是28

另外有一点要注意的就是GCC编译的程序,最大就是以4字节对齐,,不管你怎么弄,或者说怎么设置,它是不可能以8比如double来对齐的,比如:

1. struct test 
2. {     
3.     char m1; 
4.     double m4; 
5. }; 

gcc编译的话,那么他的大小是多少呢?如果不设置对齐的话是12,4个字节对齐的结果.

但是如果设置了:

#pragma pack(8)

是什么效果?

依旧是4个字节对齐,而且 #pragma pack()是属于c语言的,跟系统无关,不管是windows还是linux!