谈谈对齐（下）
谈谈对齐（下）
3 数据对齐
3.1 CISC和RISC
CPU从指令集的特点上可以分为两类：CISC和RISC。CISC和RISC分别是复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）的缩写。
CPU的工作可以看作以下步骤的反复循环：
- step 1: 取指令
- step 2: 取数据
- step 3: 执行指令
- step 4: 输出结果
CISC CPU支持很多寻址模式，因此取数据的时间是不确定的。 RISC CPU的最大特点是简化了指令的寻址模式，除了Load/Store指令外，其它指令都采用寄存器寻址，即从寄存器读写数据。这种设计使取数据的时间相对稳定，可以简化指令流水线的设计。
一般而言，RISC架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。
3.2 对齐数据访问
RISC CPU的Load/Store指令要求数据是对齐的。长度为4的数据应放在4n边界上，长度为2的数据应放在2n边界上。以ARM CPU的Load为例：
LDR R5,[R4] LDRSH R7,[R6] LDRB R9,[R8]
LDR、LDRSH、LDRB分别从存储器读取一个字、半字和字节，放到指定寄存器。例如“LDR R5,[R4]”就是从R4指向的存储单元中读一个字（长度为4），放到R5中。 LDR要求数据地址在4n边界上，否则就会发生错误。LDRSH要求数据地址在2n边界上，否则就会发生错误。
发生什么错误呢？这与具体的CPU有关，在ARM7TDMI上，非对齐访问会导致程序跳到数据访问错误的处理向量，即地址0x00000010处。在ARM920T上，LDR指令可能返回错误的数据。
CISC的CPU支持非对齐的数据读取。
3.3 例子
我们来看一个例子:
// 例子1
void test(void)
{
char a[] = {1,2,3,4,5};
int *pi, i;
printf("&a[1]=%p\n", &a[1]);
pi = (int *)&a[1];
i = *pi;
printf("%08X\n", i);
}
关键是这句：
i = *pi;
我们知道地址pi指向的4个字节依次是：0x02,0x03,0x04,0x05。在小尾的CPU上，我们期待的输出是05040302。让我们看看这段代码在不同平台的运行效果。
3.3.1 PC/Windows
输出结果是：
&a[1]=0012FF25 05040302
符合我们的预期，也说明PC的CPU支持非对齐的数据读取。
3.3.2 PC/Linux
输出结果是：
&a[1]=0xbfa0c36c 05040302
值得注意的是gcc编译器将局部变量a放在了1n边界（0xbfa0c36b）上。我们希望pi是一个奇数地址，将测试代码修改为：
// 例子2
void test(void)
{
int a[] = {0x04030201, 0x08070605};
int *pi, i;
pi = (int *)&((char *)&a)[1];
printf("pi=%p\n", pi);
i = *pi;
printf("%08X\n", i);
}
输出结果是：
pi=0xbfe87fe9 05040302
符合我们的预期。数据对齐是CPU的问题，和编译器、操作系统没有关系。
3.3.3 ARM920T/Linux
输出结果是：
&a[1]=0xbec49e55 01040302
考虑到小尾，CPU实际读到的4个字节依次是0x02,0x03,0x04,0x01。这个结果不是我们所预期的，CPU出错了。
3.3.4 ARM7TDMI
程序在执行：
i = *pi;
时直接跳回Data Abort的处理向量，即地址0x00000010。
3.4 对策
在读取紧缩结构或结构的紧缩成员时，编译器会自动产生按字节读取的代码。我们只要在做强制指针转换时细心一些就可以了。我们不应该将指向窄数据的指针强制转换成指向宽数据的指针。在可能发生数据对齐问题的地方，按字节读取数据。
4 结束语
我很欣赏一本叫作《玫瑰的名字》的小说。这是一本侦探小说，但给了我不少编程的启示。威廉教士在迷宫内解不开谜团，在迷宫外却推理出迷宫的真相。我也倾向于在头脑中调试程序，调试器只是不得已而用之。身陷其中，既会改变要测试的对象，也可能被表象迷惑。从外面观察，通过想象推理，有时更容易发现真相，或抓住调试的重点。本文讨论了一些与对齐相关的细节。多了解一些细节，有助于我们在头脑中形成更清晰的程序映像。