字节对齐你真明白了么
老一辈来讲讲2019-02-22 22:24
字节对齐是个老生常谈的话题。但在正在软件设计编码时，人们又常常忘记，或者存在理解上的错误，导致软件运行问题。这些问题不仅仅是CPU出现访问未对齐内存的异常，还包括程序性能低下，程序死锁，协议解析出错。
为什么存在字节对齐的问题
CPU内部有几个重要的部件决定了CPU一次能处理的字节和可访问的内存大小。寄存器，ALU和数据总线的位数，这些共同决定了CPU的字长，常见CPU的字长有4位，8位，16位，32位和64位。字长越多，则CPU内部硬件规模和造价越高。
8086内部框图例如，经典的8086CPU字长就是16位。它的寄存器和总线也是16位。那么它一次处理的数据长度就为2字节。编程新手常常不能理解这一点。认为CPU就是按一个个字节处理数据的。但实际上CPU是按字长来处理数据的。
明白了CPU按什么粒度来处理数据，我们再来看看地址访问问题。
当8086访问一个整字(16位)变量时，CPU把需要访问的地址放入地址总线，把控制总线置为读入操作. 内存子系统根据地址总线选定内存 单元， 检查控制总线发现是读入操作， 则读取内存单元中的数据， 写入数据总线。
关键的地方是，不论是访问奇地址还是偶地址，CPU总会把偶地址放到总线上。
访问一个变量时，当该变量的地址为偶地址(即字变量的低字节在偶地址单元，高字节在奇地址单元)，则8086将用一个总线周期访问该字变量；如果该字变量的地址为奇地址(即字变量的低字节在奇地址单元，高字节在偶地址单元)，则8086要用两个连续的总线周期才能访问该字变量，每个周期访问一个字节。
到此为止我们知道了字节对齐的一个好处，就是访问的效率提高了。
接下来我们来谈谈奇地址访问问题
8086属于CISC复杂指令集，它代表着指令复杂、体积庞大，晶体管耗费多。后来科学家们就提出了一种更为简单的指令集，叫做精简指令集，全称是Reduced Instruction Set Computing，简写为RISC。
RISC与CISC这类CPU代表就是ARM,MIPS。它们在精简指令集的同时，也去除了CPU内部对于访问奇地址支持。因为要完成奇地址内容的访问实现太复杂，要做两次访问，并做内容移位和合并的操作。这样会浪费有限的晶体管。不支持后果，就是会出现让编程人员头疼的奇地址访问异常问题。
字节对齐对程序设计的要求
编程人员永远不要做这样的假设，假设我的程序是跑在支持奇地址访问的CPU上的，往往这个假设在几年内就会被推翻。另外，程序性能也是一个优秀编程人员不能忽视的问题。所以在设计程序时必须要考虑字节对齐。程序的字节对齐需要考虑两个方面，一个结构体对齐，一般情况下编译器能自动为编程人员完成结构体字节对齐的工作。而另一个是通信消息对齐，通信消息对齐而需要编程人员自行保证。
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