小議LWIP 記憶體對齊

每一種處理器都會有自己的記憶體對齊要求，這樣做的目的很大程度上是為了處理器讀取記憶體資料的效率，當然還有匯流排等因素的影響，具體的可以看一下為什麼要記憶體對齊 data alignment: straighten up and fly right ，我覺得寫得還不錯。好了，廢話不多說，接下來看一下lwip在不同平台上是如何實現記憶體對齊的。

一. 對齊的總類及本質

在lwip中，記憶體對齊分兩種：

#define lwip_mem_align(addr) ((void *)(((mem_ptr_t)(addr) + mem_alignment - 1) & ~(mem_ptr_t)(mem_alignment-1)))

2、資料占用空間大小對齊，同樣的也是使用巨集定義實現：

#define lwip_mem_align_size(size) (((size) + mem_alignment - 1) & ~(mem_alignment-1))

先不講解為什麼這麼做就可以達到記憶體對齊的目的，我們先思考一下記憶體對齊的本質要求是什麼，假如我們細心一點就會發現，其實對齊無非就是實現以下兩點要求：

a、占用的記憶體大小或者位址值最後的二進位制n位（根據對齊要求，如4位元組對齊，n取2）必須全為0。

b、若當前占用的記憶體大小或者位址值最後n位不為0，則需要向上取整。比如按照4位元組對齊要求（二進位制最後2位必須為0），當我的變數起始位址為0x03（二進位制位0b011）,那麼該變數的起始位址就會對齊到0x04（二進位制位0b100）。

二. lwip對齊的實現

1.、定義對齊要求

在lwip中也是使用巨集定義來設定對齊要求,使用者可以在lwipopts.h中設定自己硬體平台上的對齊要求：

/*4位元組對齊*/ #define mem_alignment 4

2、資料占用空間大小對齊

#define lwip_mem_align_size(size) (((size) + mem_alignment - 1) & ~(mem_alignment-1))

為啥巨集定義寫成是這樣的呢，其實根據我剛剛說的對齊本質理解就比較簡單了，假定mem_alignment定義為4，size取15（二進位制位0b1111），那麼：

a、~(mem_alignment-1)：其實就是~(0b100-0b001)為0b1…100，目的就是當成掩碼通過&運算將((size) + mem_alignment - 1)運算的結果後兩位取0，也就是上面對齊原理的a點。

b、((size) + mem_alignment - 1)：其實是為了滿足對齊的第二點要求——向上取整。因為在第a步中，我們會二進位制的最後n位取0，為了達到向上取整的效果，必須保證經過第a步的掩碼操作後得出的對齊記憶體要大於或者等於size。根據假定size為15，經過(size) + mem_alignment - 1計算得到18（0b10010），最後經過第a不得掩碼（0x1…100）得出16（0b10000）,即15向上取整對齊后位16。

3、資料起始位址對齊

#define lwip_mem_align(addr) ((void *)(((mem_ptr_t)(addr) + mem_alignment - 1) & ~(mem_ptr_t)(mem_alignment-1)))

這裡對齊的策略和資料占用空間大小對齊是一樣的，可以依據對齊的本質理解。但是注意乙個問題，在起始位址對齊時，增加了mem_ptr_t（這是移植人員定義的處理器指標型別長度，一般為u32），避免在記憶體最高位址處取出的對齊位址為非法位址，即位址溢位了，在這種情況，增加mem_ptr_t變數可以使得出的對齊位址重新回到0x0處。

4、保證最低的空間大小

最後一點想說的就是，在lwip中長出現需要保證申請的空間必須在對齊的要求上達到最低的大小。比如下面這一段構造記憶體池的**

static u8_t memp_memory[mem_alignment - 1
#define lwip_mempool(name,num,size,desc) + ( (num) * (memp_size + memp_align_size(size) ) )
#include "lwip/memp_std.h"
];

假如看不太懂先不同管其中的含義，其實就是lwip在初始化中向記憶體申請空間大小為：mem_alignment - 1+實際需要的記憶體大小。所以這裡就出現為什麼申請要比實際需要的記憶體大小多出mem_alignment - 1個位元組，看一下下面的**：

lwip_mem_align(memp_memory)

原因就是在你申請完這部分空間後，系統會呼叫lwip_mem_align（資料起始位址對齊）,而這個操作之前跟大家說過了，會將起始位址向上取整，那麼就會有可能將所申請的空間大小減小[0,mem_alignment - 1],所以在實際申請的記憶體大小中新增mem_alignment - 1來保證對齊後得到的空間大小不小於實際的所需的空間大小。

其中，lwip也有定義相應的巨集定義，來申請所需要的記憶體大小（可以保證對齊後依舊能滿足大小需求）

#define lwip_mem_align_buffer(size) (((size) + mem_alignment - 1))

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