Sword 計算機內存對齊

內存對齊理論

a.數據的對齊(alignment)
指數據的地址和由硬件條件決定的內存塊大小之間的關係。一個變量的地址是它大小的倍數的時候，這就叫作天然對齊(naturally aligned)。
例如，對於一個32bit的變量，若是它的地址是4的倍數(地址的低兩位是0--備註1)，那麼這就是天然對齊.
對齊的規則是由硬件引發的。一些體系的計算機在數據對齊這方面有着很嚴格的要求。在一些系統上，一個不對齊的數據的載入可能會引發進程的陷入。
在另一些系統，對不對齊的數據的訪問是安全的，但卻會引發性能的降低。在編寫可移植的代碼的時候，對齊的問題是必須避免的，全部的類型都該天然對齊。

b.預對齊內存的分配
在大多數狀況下，編譯器和C庫透明地幫你處理對齊問題。POSIX標明瞭經過malloc(),calloc(),和realloc()返回的地址對於任何的C類型來講都是對齊的。
在Linux中，這些函數返回的地址在32位系統是以8字節爲邊界對齊，在64位系統是以16字節爲邊界對齊的。有時候，對於更大的邊界，程序員須要動態的對齊。
雖然動機是多種多樣的，但最多見的是直接塊I/O的緩存的對齊或者其它的軟件對硬件的交互，所以，POSIX 1003.1d提供一個叫作posix_memalign( )的函數

c.數據對齊的性能提高
對於現代計算機硬件來講，內存只能經過特定的對齊地址（好比按照機器字）進行訪問。舉個例子來講，
好比在64位的機器上，無論咱們是要讀取第0個字節仍是要讀取第1個字節，在硬件上傳輸的信號都是同樣的。
由於它都會把地址0到地址7，這8個字節所有讀到CPU，只是當咱們是須要讀取第0個字節時，丟掉後面7個字節，
當咱們是須要讀取第1個字節，丟掉第1個和後面6個字節。
假設咱們要讀取2個字節，這兩個字節恰好落在兩個機器字內時，就出現兩次訪問內存的狀況，同時經過一些邏輯計算才能獲得最終的結果。
所以，爲了更好的提高性能，咱們須儘可能將結構體作到機器字（或倍數）對齊，而結構體中一些頻繁訪問的字段也儘可能安排在機器字對齊的位置。

備註1:
二進制現象解釋
對於二進制數 *****000 不管高5位怎麼變化，該數必定8的倍數(對於二進制數 ******00 不管高6位怎麼變化，該數必定4的倍數)
由於是二進制， *****000 除以 2 ，結果和 0*****00 一致，至關於二進制數的每一位都降1階，
那麼 *****000 一共能夠除以3個2，便可以除以8，所以 *****000 必定是8的倍數

/* 內存對齊 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <string>

#ifndef NGX_ALIGNMENT
#define NGX_ALIGNMENT   sizeof(unsigned long)    /* platform word */
#endif

/*
設計說明
    sizeof(unsigned long)
    在32位操做平臺上，unsigned long 的大小是4個字節，恰巧32位平臺的機器字也是4個字節
    在64位操做平臺上，unsigned long 的大小是8個字節，恰巧64位平臺的機器字也是8個字節
*/

#define ngx_align_ptr(p, a)                                                   \
    (unsigned char *) (((unsigned int) (p) + ((unsigned int) a - 1)) & ~((unsigned int) a - 1))

/*
設計說明:
    ngx_align_ptr宏定義設計詳解
    (unsigned int) (p) 把地址當作整數進行操做，爲了計算 整數p 加多少纔是 a 的倍數

    (unsigned int) (p) + ((unsigned int) a - 1 將 整數p 向上擴充，由於是內存對齊，地址只能向後跑。向前跑就可能內存越界
    假設a是8，(((unsigned int) (p) + ((unsigned int) a - 1)) & ~((unsigned int) a - 1)) 只會影響 低3位，若是 整數p 在低位上有值，
    那麼 整數p 就會比原來小，而 整數p + a - 1 整數p的低3位上所有加1，若是 整數p 低3位上有值，確定會產生進位，
    這樣能夠確保操做後的 整數p 絕對比 原來的整數p 大

    (((unsigned int) (p) + ((unsigned int) a - 1)) & ~((unsigned int) a - 1)) 假設a是8，該操做就會將 整數p 後3位變成0
*/

int main()
{
    //示例用法
    void * p = (void *)0x2379b1;
    //進行內存對齊操做
    p = ngx_align_ptr(p, NGX_ALIGNMENT);
    return 0;
}

posix_memalign

函數原型
int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size);

函數說明
調用posix_memalign( )成功時會返回size字節的動態內存，而且這塊內存的地址是alignment的倍數。參數alignment必須是2的冪，
仍是void指針的大小的倍數。返回的內存塊的地址放在了memptr裏面，函數返回值是0.

返回值
調用失敗時，沒有內存會被分配，memptr的值沒有被定義，返回以下錯誤碼之一：
EINVAL
參數不是2的冪，或者不是void指針的倍數。
ENOMEM
沒有足夠的內存去知足函數的請求。

注意
posix_memalign函數，errno不會被設置，只能經過返回值獲得。
由posix_memalign( )得到的內存經過free( )釋放