C编程技巧——向上或向下对齐的方法及原理

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在编程中经常使用字节对齐来管理分配的内存，需要字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率和存储空间的使用率问题。例如，一个处理器一次总是从存储器中取出4个字节的数据。如果所有的int类型（这里默认int类型占4个字节）数据的地址对齐成4的倍数，那么就可以用一个操作来读或写int型的数据了。否则，我们可能需要执行多次操作来实现一个int型数据的访问，因为数据可能被分放在几个4字节的存储块中，这样效率会明显降低很多。

总体而言，字节对齐满足如下简单规律（其余的以此类推）：

2字节对齐：要求地址为2, 4, 6, 8…，二进制地址的最后一位为0（2的1次方）

4字节对齐：要求地址为4，8，12，16…，二进制地址的最后两位为0（2的2次方）

上述是字节对齐的简单描述，相信有过C编程经验的同学肯定是一看就明白了。有时候在编程时，要动态分配内存了，为了能充分利用内存空间和数据安全，总是会要求把分配的内存按一定的要求向上或向下对齐，那么这时候该怎么操作呢？

首先看两个宏定义（取自RT-Thread源码）

向上对齐：

#define RT_ALIGN(size, align) (((size) + (align) - 1) & ~((align) - 1))

向下对齐：

#define RT_ALIGN_DOWN(size, align) ((size) & ~((align) - 1))

向上或向下对齐，换个通俗的描述就是

向上对齐：计算size以align为倍数的上界数（15以8为倍数的上界数：16）

向下对齐：计算size以align为倍数的下界数（15以8为倍数的下界数：8）

以上描述，相信大家一看就明白了，那么怎么通过编码实现呢？还是以一个实例来看

向下对齐

例：计算size以align字节向下对齐（int类型，这里定义占4个字节）

int size = 15; int align = 8;

以二进制理解其原理，其实开篇就给出了答案：

8字节对齐：要求地址为8，16，24，32…，二进制地址的最后三位为0，即：align = 8;

size对齐后二进制后三位为：000

xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxx000

size要得到以上数，是不是与运算下面这个数呢

上面二进制数就是~((align) – 1)，该数可以称其为对齐字节的掩码

那么size的运算如下：

size二进制表示：

00000000 00000000 00000000 00001111

按8字节对齐后为

00000000 00000000 00000000 00001000

即：size为8

那么整个运算过程就是下面这个式子，这样就得到了向下对齐的数

((size) & ~((align) - 1))

向上对齐

同理，要向上对齐，用的对齐字节的掩码还是一样：~((align) – 1)，只需把size向上扩展一个（align-1）即可，即加上(align-1)

(((size) + (align) - 1) & ~((align) - 1))

这里可以理解下，加align-1是为了向上补齐，找出上界，看是否满align个字节

这里有的同学可能要问了，怎么不是加align，而是align-1呢？

还是举个例子：align = 8

如size=16，8字节对齐的上界数就是16，此时加上align-1是23，运算后还是16，解释如下：

16原本就是8的倍数，余数为0，向上扩展align-1个字节后，不满一个align大小，所以对齐后还是16，如果是向上扩展align，就直接加了一个align大小，显然不对

如size=18，8字节对齐的上界数为24，此时加上align-1是25，运算后还是24，解释如下：

18不是8的倍数，8字节对齐后，还余2个字节，要求是向上对齐，那么就需要把这2个字节凑个8字节，这时候加align-1，就变成9个字节，满足一个align大小，所以运算的结果就是24

不是加align，而是align-1，显然明白了吧，就是一个数学问题，与求商和余数是一个道理。