如何在 GCC C 中获得对齐的打包结构数组？答案

【问题标题】：How to get aligned array of packed structs in GCC C?如何在 GCC C 中获得对齐的打包结构数组？
【发布时间】：2015-11-09 17:04:21
【问题描述】：

在 GCC C 中，我如何获得一个压缩结构数组，其中数组中的每个条目都是对齐的？

（FWIW，这是在 PIC32 上，使用 MIPS4000 架构）。

我有这个（简化）：

  typedef struct __attribute__((packed))
  {
      uint8_t     frameLength; 
      unsigned    frameType       :3;
      uint8_t     payloadBytes;  
      uint8_t     payload[RADIO_RX_PAYLOAD_WORST];
  } RADIO_PACKET;

RADIO_PACKET 在内部打包。

然后我有 RADIO_PACKET_QUEUE，这是一个 RADIO_PACKET 队列：

typedef struct
{
    short           read;               // next buffer to read
    short           write;              // next buffer to write
    short           count;              // number of packets stored in q
    short           buffers;            // number of buffers allocated in q
    RADIO_PACKET q[RADIO_RX_PACKET_BUFFERS];
} RADIO_PACKET_QUEUE;

我希望数组 q[] 中的每个 RADIO_PACKET 从对齐的地址（模 4 地址）开始。

但是现在 GCC 没有对齐它们，所以当我尝试将 q[n] 读取为一个单词时会出现地址异常。例如，这给出了一个例外：

RADIO_PACKET_QUEUE rpq;
int foo = *(int*) &(rpq.q[1]);

这可能是因为我将 RADIO_PACKET 声明为已打包的方式。

我希望每个 RADIO_PACKET 在内部保持打包，但希望 GCC 在每个数组元素之后根据需要添加填充，以便每个 RADIO_PACKET 从对齐的地址开始。

我该怎么做？

【问题讨论】：

C 要求数组由连续对象序列组成。
当出现错位问题时，为什么要将 RADIO_PACKET 声明为已打包？您确实意识到打包结构在禁止未对齐内存访问的平台上不是很有用，因为打包结构的成员未对齐？
@nerdfever.com 你可以先让RADIO_PACKET 不打包。你知道打包申报是什么意思吗？（提示：它告诉编译器省略任何填充）。
@nerdfever.com：似乎“我想要填充”和“我想要它打包”是两个根本不相容的愿望。如果您也想打包，请显式添加您自己的填充。
您可以声明包装 RADIO-PACKET 的结构并保持它不对齐。然后你做这个新结构的数组。

标签： c gcc struct packed

【解决方案1】：

由于您指定使用 GCC，因此您应该查看类型属性。特别是，如果您希望 RADIO_PACKETs 在 4 字节（或更宽）的边界上对齐，那么您将在类型上使用 __attribute__((aligned (4)))。当应用于struct 时，它描述了整个struct 实例的对齐方式，而不是（直接）任何单个成员的对齐方式，因此可以将它与属性packed 一起使用：

typedef struct __attribute__((aligned(4), packed))
{
    uint8_t     frameLength; 
    unsigned    frameType       :3;
    uint8_t     payloadBytes;  
    uint8_t     payload[RADIO_RX_PAYLOAD_WORST];
} RADIO_PACKET;

packed 属性防止结构元素之间的填充，但它确实不防止结构表示中的尾随填充，这正是确保数组的每个元素所需对齐所必需的指定类型。然后你不需要在RADIO_PACKET_QUEUE 的声明中做任何特别的事情。

这比您想出的替代方案更简洁明了，但它是特定于 GCC 的。由于您已经是 GCC 特定的，我认为这不是问题。

【讨论】：

比我的回答好多了。这就是我最初想要的。

【解决方案2】：

您可以将打包的结构包装在另一个未对齐的结构中。然后你从这个未对齐的结构中做数组。

解决方案 2 可以是在打包结构的末尾添加虚拟成员 char[]。在这种情况下，您需要以某种方式计算它，可能是手动计算。

我还建议您重新排列结构，首先放置较长的成员，然后放置 uint8_t 成员（假设您有 16/32 位成员并且不进行一些硬件映射）。

【讨论】：

谢谢；赞成。我自己的答案只是一个实现。

【解决方案3】：

根据问题 cmets 中@Nick 的提示，我想我已经解决了这个问题。

我在 RADIO_PACKET 周围添加了一个 RADIO_PACKET_ALIGNED 包装器。这包括计算的填充。

然后我用 RADIO_PACKET_ALIGNED 替换了 RADIO_PACKET_QUEUE 结构中的 RADIO_PACKET。

似乎有效：

typedef struct
{
    RADIO_PACKET packet;
    uint8_t padding[3 - (sizeof(RADIO_PACKET) + 3) % 4];
} RADIO_PACKET_ALIGNED;

typedef struct
{
    short           read;               // next buffer to read
    short           write;              // next buffer to write
    short           count;              // number of packets stored in q
    short           buffers;            // number of buffers allocated in q
    RADIO_PACKET_ALIGNED q[RADIO_RX_PACKET_BUFFERS];
} RADIO_PACKET_QUEUE;

感谢所有的评论者！

编辑：更便携的包装器版本将使用：

uint8_t padding[(sizeof(int) - 1) - (sizeof(RADIO_PACKET) + (sizeof(int) - 1)) % sizeof(int)];

【讨论】：