内存未对齐（Unaligned access ...）导致性能降低及其处理

最新推荐文章于 2024-03-17 15:11:39 发布

zimu2702

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分类专栏：疑难杂症 LINUX 程序开发程序调试

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zimu2702/article/details/8645944

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内存未对齐访问可能导致性能下降甚至异常，特别是在某些计算机体系结构中。编译器通常通过填充来确保数据对齐，但强制类型转换可能导致未对齐访问。在MIPS架构中，未对齐访问会导致程序错误，而X86可以处理但效率降低。解决方案包括使用memcpy()函数代替指针强制类型转换，并可通过Linux内核配置来处理未对齐访问异常，如警告、修复或触发SIGBUS错误。

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个人在ST710x上遇到过这个问题，确实可行。

unsigned int len = *(unsigned int*)(buf + 8);

--->memcpy(&len, buf + 8, sizeof(int)); // 解决不对齐问题

引用地址http://blog.youkuaiyun.com/qwyang/article/details/7479268，附原文：

内存未对齐是指cpu要读取N字节数据，但数据的起始地址不能被N所整除，导致效率降低，甚至异常的出现。例如当cpu读取一个int类型的变量，而变量地址是0x10005的时候就产生未对齐访问。

自然对齐:

N字节的数据类型需要放在起始地址为被N整除的地址这称为自然对齐。并不是所有体系结构的计算机带都要求自然对齐，有的可以指定对齐方式。但是为了达到好的可移植性编写代码的时候最好都用自然对齐方式。

未对齐的影响

未对齐的内存访问在不同的体系结构中会有不同的效果：有一些计算机可以透明的处理未对齐访问，但效率会降低很多；有一些计算机会产生异常，然后调用一个异常处理程序改正错误；有一些计算机产生异常，但是没有办法校正错误；有一些计算机则没有办法处理未对齐访问，而直接读取不正确的内存地址，造成难以察觉的代码漏洞。

编译器的影响：

一般情况下编译器可以通过填充（padding）使得数据结构满足对齐要求。例如一下结构：

    Struct foo{

        U16 field1;

        U32 field2;

        U8 field3;

}

假设数据起始地址是0x10000.编译器在field1后填充2个字节使field2保持对齐，最后在field3后填充3个字节使整个数据结构4对齐，全部结构体占用空间为12字节。

导致未对齐访问的原因：

既然编译器能够自动对齐数据结构，导致内存未对齐访问的原因是什么？未对齐访问的

必要条件：指针强制类型转换且小数据转大数据。例如：

unsigned int compare_ether_addr(const u8 *addr1, const u8 *addr2)

{

    const u16 *a = (const u16 *)addr1;

    const u16 *b = (const u16 *)addr2;

    return ((a[0] ^ b[0]) | (a[1] ^b[1]) | (a[2] ^ b[2])) != 0;

}

Addr1指针所在地址可能是奇地址开头，强制类型转化给指针a，导致未对齐的内存访问。Mips架构的cpu不能很好的处理未对齐访问，会导致程序出错退出。X86可以处理未对齐，但是如果未对齐访问太多效率也会下降很多。不管是Mips，还是X86，都希望所操作地址是对齐的，因为这样可以最快速地处理数据。不过X86平台可以很容易很快速地处理不对齐的情况，而Mips一旦遇到地址不对齐的变量就会抛出exception,从而调用一大段后续处理代码，继而消耗大量的时间。

解决方案：应该使用memcpy()函数进行代替指针强制类型转换。

Linux内核对unalignedacess的处理方法：

可以配置/proc/sys/debug/alignment的参数以配置内核对内存未对齐访问的处理方式，总共有6中可选，"ignored","warn","fixup","fixup+warn","signal","signal+warn"，可以配置的值和含义：

0 warn 触发内核打印消息包含程序名称、Pid、PC寄存器值，指令，地址，出错码。

1 fixup 内核尝试修复未对齐访问异常，这会导致性能降低。

2 signal 这个配置会引发SIGBUS错误，程序退出。

请查看内核说明(cat /proc/cpu/alignment)以确定选择那种处理方式所对应的数字。

内存未对齐处理示例：

问题描述：

编译webkit源码后在Freeman 9150（mips架构，sh4linux）运行出现unaligned access，SIGBUS错误，程序退出：

     Unaligned userspace access in "QtTestBrowser" pid=1636 pc=0x2a012f6a ins=0x01ce

     Unaligned userspace access in "QtTestBrowser" pid=1636 pc=0x29f4ad7a ins=0x5111

     Sending SIGBUS to "QtTestBrowser" due to unaligned access (PC 29f4ad7a PR 29f4ac6e)

解决办法：

1、在linux终端输入ulimit –c unlimited开启core dump功能。

2、修改/proc/sys/kernel/core_uses_pid，使用pid作为core dump文件的扩展名；修改/proc/sys/kernel/core_pattern（例如/corefile/core%p）设置core文件保存位置和文件格式。

3、使用gdb查看出错信息，定位代码。 gdb ./ QtTestBrowser core.xxxx，使用bt命令即可看到程序出错的地方。

4、查看源码，修改错误，注意查看指针转化的情况。用memcpy()代替相关代码。