结构体对齐的重要性

2023-05-16

最近在工作中被结构体对齐问题坑了一天的时间，郁闷的不行不行，特别记录下来，以供大家参考。
事情是这样的，因业务需要增加了一个结构体，里面用到了信号量，当时写完联调的时候只测试了windows平台，因为win32/linux代码几乎一样，就没测试linux平台，可后来linux平台居然出现了莫名其妙的问题，在调用sem_timedwait等待信号量的时候直接就返回了，还没报错。

好了，我先将简化后的代码整理如下：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <string>
#if defined _WIN32 || defined _WIN64
#include <windows.h>
#else
#include <semaphore.h>
#endif

#define TEST_PACK

#define MY_PRINTF(arg)		printf("%s\t = %p, sizeof = %lu\n", #arg, &arg, sizeof(arg))

#ifdef TEST_PACK
#pragma pack(1)
#endif
	//发布直播
	struct obj_releaslive_meeting
	{
		obj_releaslive_meeting()
		{
#if defined _WIN32 || defined _WIN64
			sigStart = CreateEvent(NULL, false, NULL, NULL);
			sigStop = CreateEvent(NULL, false, NULL, NULL);
#else
			sem_init(&sigStart, 0, 0);
			sem_init(&sigStop, 0, 0);
#endif
			devNo = 0;
			meetingId = "";
			startErrCode = -1;
			stopErrCode = -1;
		}

		~obj_releaslive_meeting()
		{
#if defined _WIN32 || defined _WIN64
			if (sigStart)
			{
				CloseHandle(sigStart);
				sigStart = NULL;
			}
			if (sigStop)
			{
				CloseHandle(sigStop);
				sigStop = NULL;
			}
#else
			sem_destroy(&sigStart);
			sem_destroy(&sigStop);
#endif			
		}

		uint16_t devNo;			
		std::string meetingId;
#if defined _WIN32 || defined _WIN64
		HANDLE sigStart;
		HANDLE sigStop;
#else
		sem_t sigStart;
		sem_t sigStop;
#endif
		
		int startErrCode;
		int stopErrCode;
	};
#ifdef TEST_PACK
#pragma pack()
#endif

int main()
{
	struct obj_releaslive_meeting *ptr = new obj_releaslive_meeting();

	MY_PRINTF(ptr->devNo);
	MY_PRINTF(ptr->meetingId);
	MY_PRINTF(ptr->sigStart);
	MY_PRINTF(ptr->sigStop);
	MY_PRINTF(ptr->startErrCode);
	MY_PRINTF(ptr->stopErrCode);

#if defined _WIN32 || defined _WIN64
	int ret = WaitForSingleObject(ptr->sigStart, 5000);
#else
	int ret = sem_wait(&ptr->sigStart);
#endif
	printf("ret = %d, error = %s\n", ret, strerror(errno));

	return 0;
}

然后我们分别看一下win32和linux平台的情况，简单说明一下，代码里使用TEST_PACK宏控制是结构体默认对齐还是按1字节对齐。

当时找了好久才发现，是别人的一个头文件里只写了#pragma pack(1)，后面却没写#pragma pack()，然后他的头文件在某个地方又出现在我定义结构体的头文件前面了，所以影响到了我的结构体的对齐方式。

1.默认结构体对齐方式

1.1 Linux平台（x86-64, gcc version 7.4.0）

编译后执行，结果如预期一样可以被阻塞住：

0 14:49:07 ~/test $ ./a.out
ptr->devNo		 	  = 0x7fffd02cbe70, sizeof = 2
ptr->meetingId	      = 0x7fffd02cbe78, sizeof = 32
ptr->sigStart	      = 0x7fffd02cbe98, sizeof = 32
ptr->sigStop	      = 0x7fffd02cbeb8, sizeof = 32
ptr->startErrCode     = 0x7fffd02cbed8, sizeof = 4
ptr->stopErrCode	  = 0x7fffd02cbedc, sizeof = 4
^C

1.2 Win32平台（x86, vs2013）

编译的时候，需要在工程配置 -> C/C++ -> 代码生成 -> 安全检查选项中设置禁用安全检查功能。结果同样正确：

ptr->devNo            = 00C74A38, sizeof = 2
ptr->meetingId        = 00C74A3C, sizeof = 28
ptr->sigStart         = 00C74A58, sizeof = 4
ptr->sigStop          = 00C74A5C, sizeof = 4
ptr->startErrCode     = 00C74A60, sizeof = 4
ptr->stopErrCode      = 00C74A64, sizeof = 4
ret = 258, error = No error

2.按1字节对齐方式

2.1 Linux平台

在gcc version 7.4.0（ubuntu1~18.04）下，程序收到来自系统的SIGABRT信号，异常退出：

0 15:14:15 ~/test $ ./a.out 
ptr->devNo		      = 0x7fffda944e70, sizeof = 2
ptr->meetingId	      = 0x7fffda944e72, sizeof = 32
ptr->sigStart	      = 0x7fffda944e92, sizeof = 32
ptr->sigStop	      = 0x7fffda944eb2, sizeof = 32
ptr->startErrCode     = 0x7fffda944ed2, sizeof = 4
ptr->stopErrCode      = 0x7fffda944ed6, sizeof = 4
The futex facility returned an unexpected error code.Aborted (core dumped)

在gcc version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-36)下，程序在调用sem_wait时候失败返回-1，提示无效的参数：

[root@localhost /]# ./test3 
ptr->devNo		      = 0x23c8010, sizeof = 2
ptr->meetingId	      = 0x23c8012, sizeof = 8
ptr->sigStart	      = 0x23c801a, sizeof = 32
ptr->sigStop	      = 0x23c803a, sizeof = 32
ptr->startErrCode     = 0x23c805a, sizeof = 4
ptr->stopErrCode      = 0x23c805e, sizeof = 4
ret = -1, error = Invalid argument

在Linux系统异常的真实原因其实是信号量地址未对齐，可以对比下自然对齐的sigStart地址0x7fffd02cbe98和强制1字节对齐的0x7fffda944e92。
在gcc version 4.8.5版本下，实际工程的现象是调用sem_wait直接返回，并且无任何错误。
另外，可以看到这两个平台的string实现机制不一样，在gcc 7.4.0版本占用32个字节，而在gcc 4.8.5版本只占用了一个同机器字长的指针大小。

2.2 Win32平台（x86, vs2013）

32位结果正常：

ptr->devNo            = 00164A38, sizeof = 2
ptr->meetingId        = 00164A3A, sizeof = 28
ptr->sigStart         = 00164A56, sizeof = 4
ptr->sigStop          = 00164A5A, sizeof = 4
ptr->startErrCode     = 00164A5E, sizeof = 4
ptr->stopErrCode      = 00164A62, sizeof = 4
ret = 258, error = No error

64位结果同样正常：

ptr->devNo            = 0000019FF0101CC0, sizeof = 2
ptr->meetingId        = 0000019FF0101CC2, sizeof = 40
ptr->sigStart         = 0000019FF0101CEA, sizeof = 8
ptr->sigStop          = 0000019FF0101CF2, sizeof = 8
ptr->startErrCode     = 0000019FF0101CFA, sizeof = 4
ptr->stopErrCode      = 0000019FF0101CFE, sizeof = 4
ret = 258, error = No error

总结

先看一下结构体为什么要对齐：

结构体对齐的原因：
现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈

由此说明，不同平台对于结构体不对齐的情况，处理方式是不一样的。
对于Linux平台一个信号量占用32个字节，如果出现不对齐的情况，系统可能出于操作效率或者安全的考虑，直接就不支持/不允许这种操作，所以结果肯定不是正确的，但对于不同内核版本系统做出的行为也不太一样，如果像第一种情况直接收到SIGABRT还好，能够及时发现问题并改正，但如果是第二种情况并且sem_wait没有报错，这就给问题排查带来了很大的困难。
对于Win32平台虽然运行结果正确，但我认为这并不能说明其就能正确的处理结构体不对齐的情况，因为Win32的信号量只有4/8个字节，不足够长，还不能完全说明问题。

PS：最后再说一遍#pragma pack(1)，#pragma pack()预处理宏一定要成对使用，否则莫名其妙的影响了别人，真的很不好发现。

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