Разработка ядра Linux

В структурах также могут использоваться различные способы заполнения (padding).

Заполнение структур

Структуры заполняются таким образом, чтобы каждый ее элемент имел естественное выравнивание. Например, рассмотрим следующую структуру данных на 32- разрядной машине.

struct animal_struct {

 char           dog; /* 1 байт */

 unsigned long  cat; /* 4 байт */

 unsigned short pig; /* 2 байт */

 char           fox; /* 1 байт */

};

Эта структура данных в памяти выглядит не так, что связано с необходимостью естественного выравнивания. В памяти компилятор создает структуру данных, которая похожа на следующую.

struct animal_struct {

 char dog;           /* 1 байт */

 u8 __pad0[3];       /* 3 байт */

 unsigned long cat;  /* 4 байт */

 unsigned short pig; /* 2 байт */

 char fox;           /* 1 байт */

 u8 __pad1;          /* 1 байт */

};

Переменные заполнения вводятся для того, чтобы обеспечить естественное выравнивание всех элементов структуры. Первая переменная заполнения вводит дополнительные затраты памяти для того, чтобы разместить поле cat на границе 4-байтового адреса. Вторая переменная используется для выравнивания размера самой структуры. Дополнительный байт гарантирует, что размер структуры будет кратен четырем байтам и что каждый элемент массива таких структур будет иметь естественное выравнивание.

Следует обратить внимание, что выражение sizeof (foo_struct) равно значению 12 для любого экземпляра этой структуры на большинстве 32-разрядных аппаратных платформ. Компилятор языка С автоматически добавляет элементы заполнения, чтобы гарантировать необходимое выравнивание.

Часто имеется возможность переставить поля структуры так, чтобы избежать необходимости заполнения. Это позволяет получить правильно выровненные данные без введения дополнительных элементов заполнения и, соответственно, структуру меньшего размера.

struct animal struct {

 unsigned long  cat; /* 4 байта */

 unsigned short pig; /* 2 байта */

 char           dog; /* 1 байт */

 char           fox; /* 1 байт */

};

Эта структура данных имеет размер 8 байт. Однако не всегда существует возможность перестановки элементов структуры местами и изменения определения структуры. Например, если структура поставляется как часть стандарта, или уже используется в существующем коде, то порядок следования полей менять нельзя. Иногда, по некоторым причинам, может потребоваться специальный порядок следования полей структуры, например специальное выравнивание переменных для оптимизации попадания в кэш. Заметим, что, согласно стандарту ANSI С, компилятор никогда не должен менять порядок следования полей в структурах[95] данных — этим правом обладает только программист.

Разработчики ядра должны учитывать особенности заполнения при обмене структурами данных: передача структур по сети или непосредственное сохранение на диск, потому что необходимое заполнение может быть разным для различных аппаратных платформ. Это одна из причин, по которой в языке программирования С нет оператора сравнения структур. Память, которая используется для заполнения структур данных, может содержать случайную информацию, что делает невозможным побайтовое сравнение структур. Разработчики языка, программирования С правильно сделали, что оставили решение задачи сравнения структур на усмотрение программиста, который может создавать свои функции сравнения в каждом конкретном случае, чтобы использовать особенности построения конкретных структур.

Порядок следования байтов

Порядок следования байтов (byte ordering) — это порядок, согласно которому байты расположены в машинном слове. Для разных процессоров может использоваться один из двух типов нумерации байтов в машинном слове: наименее значимый (самый младший) байт является либо самым первым (самым левым, left-most), либо самым последним (самым правым, right-most) в слове. Порядок байтов называется обратным (big-endian), если наиболее значимый (самый старший) байт хранится первым, а за ним идут байты в порядке убывания значимости. Порядок байтов называется прямым (little-endian), если наименее значимый (самый младший) байт хранится первым, а за ним следуют байты в порядке возрастания значимости.