C++ 结构对齐到 1 个字节导致 WinCE 崩溃

Question

我正在开发一些需要大量内存的应用程序。为了减少内存使用，我已将大型结构的对齐方式切换为 1 字节（#pragma pack(1)）。 在此之后，我的结构大小小了大约 10-15%，但出现了一些问题。 当我尝试通过指针或引用应用程序使用我的结构中的一个字段时，它就会崩溃。如果我直接更改字段，它可以正常工作。

在测试应用程序中，我发现在结构中使用小于 4 字节的字段后开始出现问题。

测试代码：

#pragma pack(1)
struct TestStruct
{
    struct
    {
        long long lLongLong;
        long lLong;
        //bool lBool; // << if uncommented than crash
        //short lShort; // << if uncommented than crash
        //char lChar; // << if uncommented than crash
        //unsigned char lUChar; // << if uncommented than crash
        //byte lByte; // << if uncommented than crash

        __int64 lInt64;
        unsigned int Int;
        unsigned int Int2;
    } General;
};

struct TestStruct1
{
    TestStruct lT[5];
};
#pragma pack()

void TestFunct(unsigned int &pNewLength)
{
    std::cout << pNewLength << std::endl;   
    std::cout << "pNL pointer: " << &pNewLength << std::endl;   
    pNewLength = 7; // << crash

    char *lPointer = (char *)&pNewLength;
    *lPointer = 0x32; // << or crash here
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    std::cout << sizeof(TestStruct1) << std::endl;

    TestStruct1 *lTest = new TestStruct1();
    TestFunct(lTest->lT[4].General.Int);
    std::cout << lTest->lT[4].General.Int << std::endl;

    char lChar;
    std::cin >> lChar;

    return 0;
}

在 ARM (WinCE 6.0) 上编译此代码会导致崩溃。 Windows x86 上的相同代码可以正常工作。将 pack(1) 更改为 pack(4) 或只是 pack() 可以解决此问题，但结构更大。

为什么这种对齐会导致问题？

Answer 1

您可以使用 __unaligned 关键字修复它（在带有 ARM 的 WCE 上运行），我能够使用 VS2005 编译此代码并在 WM5 设备上成功运行，方法是：

void TestFunct(unsigned int &pNewLength)

到

void TestFunct(unsigned int __unaligned &pNewLength)

使用此关键字将使指令计数增加一倍以上，但允许使用任何遗留结构。

更多信息在这里：

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa448596.aspx

Answer 2

ARM 架构仅支持对齐的内存访问。这意味着 4 字节类型只能在 4 的倍数的地址上读写。对于 2 字节类型，地址必须是 2 的倍数。任何未对齐内存访问的尝试通常都会以 DATATYPE_MISALIGNMENT 异常和随后的崩溃来奖励您。

现在您可能想知道为什么只在将未对齐的结构成员作为指针和引用传递时才开始看到崩溃；这与编译器有关。只要您直接访问结构中的字段，它就知道您正在访问未对齐的数据并通过透明地读取和写入多个对齐的块中的数据来处理它，这些块被拆分和重新组合。我见过 eVC++ 这样做是为了编写一个双字节对齐的四字节结构成员：生成的汇编指令将整数分成单独的两字节片段并分别写入。

编译器不知道指针或引用是否对齐，因此一旦您将未对齐的结构字段作为指针或引用传递，它就无法知道这些应该以特殊方式处理。它会将它们视为对齐的数据并相应地访问它们，这会在地址未对齐时导致崩溃。

正如 marcin_j 所提到的，可以通过告诉编译器特定的指针/引用与 __unaligned 关键字不对齐，或者更确切地说 UNALIGNED 宏在不需要它的平台上不执行任何操作来解决此问题。它基本上告诉编译器要小心指针，我认为它类似于访问未对齐的结构成员的方式。

一种天真的方法是将 UNALIGNED 涂满整个代码，但不建议这样做，因为它会导致性能损失：使用 __unaligned 的任何数据访问都需要多次内存读/写，而对齐版本只需要一次。 UNALIGNED 通常只用在代码中已知会传递未对齐数据的地方，而在其他地方被忽略。

Answer 3

在 x86 上，未对齐的访问速度很慢。 ARM 完全做不到。您的小类型破坏了下一个元素的对齐方式。

这并不重要。如果您按大小对成员进行排序，开销不太可能超过 3 个字节。