是否有一个GCC关键字可以允许结构体重排序？

Question

我知道为什么GCC默认情况下不会重新排列结构体的成员，但我很少编写依赖于结构体顺序的代码，因此有没有一种方式可以标记我的结构体以便自动重排？

- Maestro

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因为我的计算机内存很紧张，所以我总是要手动计算，以确保使用最少的填充。 - Maestro

@Joshua，你的架构允许未对齐的内存访问吗？ - cnicutar

@duDE：联合体和结构体是非常不同的东西。 - Michael Burr

我认为是这样，但将它们转换为紧凑结构并不是解决方法，因为它只会移除填充而不重新排序以获得最佳的内存对齐方式。我想要的就是手动实现的：最少填充的内存对齐。 - Maestro

假定你的平台使用ELF，你可以使用dwarves中的pahole来查找可能被重新排序的结构，并自动重装这些结构。 - Hasturkun

Answer 1

之前的GCC版本有-fipa-struct-reorg选项，可以在-fwhole-program+ -combine模式下允许结构重排。

• -fipa-struct-reorg

  执行结构重新组织优化，改变类C结构的布局以更好地利用空间局部性。此转换对包含结构数组的程序有效。有两种编译模式可用：基于配置文件的（使用-fprofile-generate启用）或静态的（使用内置启发式算法）。需要-fipa-type-escape来提供此转换的安全性。它仅在整个程序模式下工作，因此需要启用-fwhole-program和-combine。被此转换视为“冷”的结构不受影响（请参见--param struct-reorg-cold-struct-ratio=value）。

由于以下原因，在GCC 4.8.x中已将其删除，详见发布说明：

结构体重组和矩阵重组优化（命令行选项-fipa-struct-reorg和-fipa-matrix-reorg）已被移除。它们并不总是能够正常工作，也不能与链接时优化（LTO）一起使用，因此只适用于由单个翻译单元组成的程序。

然而，您仍可以在GCC SVN上尝试使用struct-reorg-branch或github镜像进行自己的风险评估，因为它仍在积极开发中。

您还可以使用clang-tools-extra中的clang-reorder-fields工具重新排序字段。

另请参见

• 自动重排C结构中的字段以避免填充

- phuclv

Answer 2

作为一个旁注，Linux内核实现了一个名为randomize_layout的属性，通过使用gcc插件来引入它。其目的是在结构的定义中使用它，使编译器随机排列字段的顺序。Linux内核在安全性方面使用它，以抵御需要知道结构布局的攻击。例如，cred结构在include/linux/cred.h中定义如下：

struct cred {
    atomic_t    usage;
#ifdef CONFIG_DEBUG_CREDENTIALS
    atomic_t    subscribers;    /* number of processes subscribed */
    void        *put_addr;
[...]
    struct user_struct *user;   /* real user ID subscription */
    struct user_namespace *user_ns; /* user_ns the caps and keyrings are relative to. */
    struct group_info *group_info;  /* supplementary groups for euid/fsgid */
    /* RCU deletion */
    union {
        int non_rcu;            /* Can we skip RCU deletion? */
        struct rcu_head rcu;        /* RCU deletion hook */
    };
} __randomize_layout;

"__randomize_layout标签在Linux源代码树的include/linux/compiler-gcc.h中定义为："

#define __randomize_layout __attribute__((randomize_layout))

- Rachid K.

Answer 3

在GCC中没有这样的选项。而且，我确定它不能以任何明智的方式引入。关于填充优化，请参考此讨论。

我知道的唯一例外是热/冷结构字段拆分，在某些情况下可以实现（即使在基于配置文件指导的模式下，我也不确定GCC能否做到这一点，我知道ICC可以）。此功能不受用户控制，并在调用图上执行，其中对数据流的保守性可证明。

- Konstantin Vladimirov

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为什么不能引入它？如果我指定了__packed属性，那么我告诉GCC以不同的方式处理结构，那么使用__reorder属性会有什么问题呢？但看起来我的问题是您链接的问题的副本。 - Maestro

@Joshua 根据C标准，结构体成员在内存中的顺序必须与定义时的顺序相同。使用“packed”属性可以保留顺序。重新排序属性则不行。我意识到这不是关于标准合规性的讨论。 - Austin Phillips

我认为它不能被引入的原因比标准合规性更深刻。至少我们不太关心打包结构、嵌套函数等问题。但打包取决于用户。重新排序则由编译器决定如何重新排序以及是否重新排序。因此，如果引入它，将需要对字段进行可能的重新排序，精确的指针分析以重新排序所有引用，以及引用到引用等等。这可能会使编译时间增加数倍。 - Konstantin Vladimirov

@KonstantinVladimirov 这不仅仅是标准的遵从问题。C和C++程序通常由许多不同的源文件和库构建而成。一旦库已经编译，您就无法更改顺序或打包方式。而且您不希望在不同模块中的相同结构中具有不同的排序成员。 - Alexey Frunze

“热/冷结构字段拆分”技术真的很有趣 :) - phuclv

Answer 4

我认为在编译整个程序时（使用lto模式，使用-flto标志），重新组织/拆分结构的元素是可能的。在这种情况下，您可以获得程序的完整图片，并且对于未逃逸的符号，应该可以重新排序它们以获得更好的缓存行为等。

在gcc主干中，这正在积极开发中。这在GNU cauldron 2015中展示过。您可能想尝试gcc主干或struct-reorg-branch。

https://gcc.gnu.org/wiki/cauldron2015?action=AttachFile&do=view&target=Olga+Golovanevsky_+Memory+Layout+Optimizations+of+Structures+and+Objects.pdf

- A. K.