小议LWIP（一）——内存对齐

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      每一种处理器都会有自己的内存对齐要求，这样做的目的很大程度上是为了处理器读取内存数据的效率，当然还有总线等因素的影响，具体的可以看一下为什么要内存对齐 Data alignment: Straighten up and fly right【http://blog.csdn.net/lgouc/article/details/8235471】，我觉得写得还不错。好了，废话不多说，接下来看一下LWIP在不同平台上是如何实现内存对齐的。

一. 对齐的总类及本质

在LWIP中，内存对齐分两种：

1、数据起始地址对齐，在源代码中是用宏定义实现的：

#define LWIP_MEM_ALIGN(addr) ((void *)(((mem_ptr_t)(addr) + MEM_ALIGNMENT - 1) & ~(mem_ptr_t)(MEM_ALIGNMENT-1)))

2、数据占用空间大小对齐，同样的也是使用宏定义实现：

#define LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size) (((size) + MEM_ALIGNMENT - 1) & ~(MEM_ALIGNMENT-1))

先不讲解为什么这么做就可以达到内存对齐的目的，我们先思考一下内存对齐的本质要求是什么，假如我们细心一点就会发现，其实对齐无非就是实现以下两点要求：


a、占用的内存大小或者地址值最后的二进制n位（根据对齐要求，如4字节对齐，n取2）必须全为0。

b、若当前占用的内存大小或者地址值最后n位不为0，则需要向上取整。比如按照4字节对齐要求（二进制最后2位必须为0），当我的变量起始地址为0x03（二进制位0b011）,那么该变量的起始地址就会对齐到0x04（二进制位0b100）。

二. LWIP对齐的实现
1.、定义对齐要求
在LWIP中也是使用宏定义来设定对齐要求,用户可以在lwipopts.h中设定自己硬件平台上的对齐要求：
  
       /*4字节对齐*/#define MEM_ALIGNMENT                4

2、数据占用空间大小对齐

#define LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size) (((size) + MEM_ALIGNMENT - 1) & ~(MEM_ALIGNMENT-1))

为啥宏定义写成是这样的呢，其实根据我刚刚说的对齐本质理解就比较简单了，假定MEM_ALIGNMENT定义为4，size取15（二进制位0b1111），那么：

a、~(MEM_ALIGNMENT-1)：其实就是~(0b100-0b001)为0b1…100，目的就是当成掩码通过&运算将((size) + MEM_ALIGNMENT - 1)运算的结果后两位取0，也就是上面对齐原理的a点。


b、((size) + MEM_ALIGNMENT - 1)：其实是为了满足对齐的第二点要求——向上取整。因为在第a步中，我们会二进制的最后n位取0，为了达到向上取整的效果，必须保证经过第a步的掩码操作后得出的对齐内存要大于或者等于size。根据假定size为15，经过(size) + MEM_ALIGNMENT - 1计算得到18（0b10010），最后经过第上步的掩码（0x1…100）得出16（0b10000）,即15向上取整对齐后位16。

3、数据起始地址对齐

#define LWIP_MEM_ALIGN(addr) ((void *)(((mem_ptr_t)(addr) + MEM_ALIGNMENT - 1) & ~(mem_ptr_t)(MEM_ALIGNMENT-1)))

这里对齐的策略和数据占用空间大小对齐是一样的，可以依据对齐的本质理解。但是注意一个问题，在起始地址对齐时，增加了mem_ptr_t（这是移植人员定义的处理器指针类型长度，一般为u32），避免在内存最高地址处取出的对齐地址为非法地址，即地址溢出了，在这种情况，增加mem_ptr_t变量可以使得出的对齐地址重新回到0x0处。

4、保证最低的空间大小


最后一点想说的就是，在LWIP中长出现需要保证申请的空间必须在对齐的要求上达到最低的大小。比如下面这一段构造内存池的代码

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义，其实就是LWIP在初始化中向内存申请空间大小为：MEM_ALIGNMENT - 1+实际需要的内存大小。所以这里就出现为什么申请要比实际需要的内存大小多出MEM_ALIGNMENT - 1个字节，看一下下面的代码：

LWIP_MEM_ALIGN(memp_memory)
原因就是在你申请完这部分空间后，系统会调用LWIP_MEM_ALIGN（数据起始地址对齐）,而这个操作之前跟大家说过了，会将起始地址向上取整，那么就会有可能将所申请的空间大小减小[0,MEM_ALIGNMENT - 1],所以在实际申请的内存大小中添加MEM_ALIGNMENT - 1来保证对齐后得到的空间大小不小于实际的所需的空间大小。

其中，LWIP也有定义相应的宏定义，来申请所需要的内存大小（可以保证对齐后依旧能满足用户对大小需求）

#define LWIP_MEM_ALIGN_BUFFER(size) (((size) + MEM_ALIGNMENT - 1))

PS：由于本人水平有限，可能存在一些误区，请各位多指教。这是我发在SCDN的博客原文http://blog.csdn.net/u012866052/article/details/53008721，有兴趣可以看看。