Linux中_ALIGN宏背后的原理

1. 引子
int a;
int size = 8;

如果让a为(size =8)的整数倍表示成二进制应是什么样子呢？那就是让这个数表示成二进制时的最后三位为0.
而要达到这一目标，只要下面这个数与它进行与运算就可以了:
11111111 11111111 11111111 11111000
而上面这个数实际下就是 ~ (size - 1)，可以将该数称为size的对齐掩码size_mask.

可这样做求出的是比a小的那个最大的8的倍数. 如果要求出比a大的是不是需要加上8就可以了?
可是如果a本身就是8的倍数, 这样加8不就错了吗, 所以在a基础上加上 size - 1, 然后与size的对齐掩码进行与运算.

这样, 我们可以定义下面的宏, 用于计算一个数a以size为倍数的前后两个值：
#define alignment_down(a, size) (a & (~(size-1)) )
#define alignment_up(a, size) ((a+size-1) & (~ (size-1)))

例如:
a=0, size=8, 则alignment_down(a,size)=0, alignment_up(a,size)=0.
a=6, size=8, 则alignment_down(a,size)=0, alignment_up(a,size)=8.
a=8, size=8, 则alignment_down(a,size)=8, alignment_up(a,size)=8.
a=14, size=8, 则alignment_down(a,size)=8, alignment_up(a,size)=16.

注意：size应当为2的n次方, 即2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 1024, 2048, 4096.....

2. 在linux中的应用
上面的计算方法在linux等代码中也常常可以看到,下面给出几个例子.

例１：当分配地址addr时, 要将该地址以size为倍数对齐, 而且要得到是比addr大的值, 则使用_ALIGN宏：
/* align addr on a size boundary - adjust address up if needed -- Cort */
#define _ALIGN(addr,size) (((addr)+(size)-1)&(~((size)-1)))

例2：与页面对齐相关的宏
#define PAGE_SIZE 4096
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
/* to align the pointer to the (next) page boundary */
#define PAGE_ALIGN(addr) (((addr)+PAGE_SIZE-1) & PAGE_MASK)

例3：与skb分配时对齐相关的宏
#define SKB_DATA_ALIGN(X) (((X) + (SMP_CACHE_BYTES - 1)) & ~(SMP_CACHE_BYTES - 1))

struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, int fclone)
{
......

/* Get the HEAD */
skb = kmem_cache_alloc(cache, gfp_mask & ~__GFP_DMA);
if (!skb)
goto out;

/* Get the DATA. Size must match skb_add_mtu(). */
size = SKB_DATA_ALIGN(size);
data = kmalloc_track_caller(size + sizeof(struct skb_shared_info), gfp_mask);
if (!data)
goto nodata;
......
}