非对齐访问和Alignment Fault

Posted 2021-01-26 justin-y-lin

什么是对齐异常？

简单来说，当CPU访问内存地址时，如果发现访问的地址是不对齐的，硬件(部分)就会自动触发对齐异常。对齐即要求被访问的地址满足其数据类型的位宽要求，比如要访问一个4字节int型的数据，但是提供的地址不是4字节对齐的，那就是不对齐了。也就是说要访问的数据的位宽长度是多少，那么访问的地址就必须是按这个位宽长度对齐的。如果是char类型的，那就没有没有对齐要求了。

为什么在部分硬件上出现？

部分CPU硬件支持非对齐访问，典型的就是X86，X86硬件会自动处理非对齐访问情况，对软件透明，代价是牺牲效率。硬件处理简单来说就是通过多次访存操作，结合拼接(或拆分)操作实现，比如要读取一个4字节的int型数据，当地址在2字节的边界时，则需要进行两次内存读取操作，将边界前后的两个4字节的数据读取出来，然后取出其中的部分数据进行拼接，才能得到想要的数据，X86中，这些操作虽然都是由硬件自动完成，但是相对于对齐的数据访问来说，其性能损失也是非常明显的。

部分CPU“部分支持”非对齐访问，典型的就是ARM，其“单指令”操作支持非对齐，但“群指令”操作(SIMD)则不支持(必须对齐访问)，如LDM、STM、LDRD、STRD。ARMv5指令集的CPU(一般是arm9架构)默认不支持非对齐内存访问，ARMv6及以上的CPU默认支持处理大部分的非对齐内存地址访问。

部分CPU硬件不支持对齐访问，但通过软件支持。典型的就是部分mips架构，其通过内核中对alignment fault异常处理流程中进行处理，比如将非对齐的数据访问，通过多次访存操作和拼接操作来处理，也可以使用类似memcpy的方式来处理，当然代价是更严重的性能损失。ARM架构内核中也有类似的处理分支，可以通过相关的配置来控制其处理方式。

定位方法

内核中的手段

Linux内核中有alignment=启动参数和/proc/cpu/alignment参数，用于控制出现alignment fault时默认的处理行为，具体定义如下：

alignment= [KNL,ARM]

Allow the default userspace alignment fault handler behaviour to be specified. Bit 0 enables warnings, bit 1 enables fixups, and bit 2 sends a segfault.

该参数由3位组成，第一位控制是否打印warning，第二位控制是否通过软件修复，第3位控制是否触发段错误。

通常，在出现alignment fault时，需要分析定位原因，而不能简单的通过内核的fixup或者忽略，由于由此带来的性能损耗是非常大的，当然如果您的环境中不在乎性能，那就另当别论了。

所以，通常在分析定位alignment fault异常时，需要设置bit0和bit2，即：

echo 5 > /proc/cpu/alignment

如此设置后，在出现alignment fault时，就能在messages中有较详细的打印，同时，正常情况下(除非禁用了)，如果是出现在用户态，还会有core文件生成，如果是出现在内核态，则会除非die()，最终触发panic和kdump，生成vmcore，便于后续的深入分析。

分析思路

此类问题的具体分析思路为：

• 在搜集到core(或vmcore)文件后，使用gdb(或crash)工具进行分析。
• 确认出现问题的PC指针值
• 确认PC指针处触发问题的指令
• 确认PC指针处对应的具体代码行
• 分析代码逻辑，确认是否有可能导致出现对齐异常的代码编写问题，比如不同的指针类型直接的转换，或者是结构体中padding问题。

为什么出现？

我们了解，计算机中，CPU是通过总线访问内存的，而alignment fault正式总线控制器返回给CPU core的。不同的硬件，总线控制器的实现和配置不同，导致不同硬件上，对于非对齐访问的表现也不同，前面也做了说明。

那为什么部分CPU至今仍坚持不支持非对齐访问呢，最主要的原因肯定是性能问题了。如之前所说，非对齐访问带来的性能损耗是相当明显的，在目前主流的计算机体系下，其是一个明显的性能损失点，这也是性能调优过程中需要重点关注的点，特别是当CPU自身性能不济时，需要尤其关注，这就对程序猿们提出了更高的要求。

由于alignment fault对性能的影响，所以很多CPU中，会将此类问题当做一种异常上报，目的就是告诉用户：这里有性能隐患了，虽然我可能为您修复，但需要您的关注，建议您修正代码，以提升性能。

由什么引起？

出现alignment fault问题，通常是用户编写的代码导致。估计很多程序猿在编写代码(特别是c/c++代码)时，从未考虑过这样的问题，那是因为多数可能都在X86架构下的进行代码开发，而且没有考虑过代码的移植性，如前面所说X86硬件会自动处理非对齐问题，用户感知不到，但这种情况下，由此带来的性能损耗，用户可能也关注不到了。另一方面，部分情况下，编译器也会自动做padding处理(如对结构体的自动填充对齐)，这也进一步让程序猿们减少了对alignment fault的关注。

最常见的可能导致alignment fault的代码编写方式如：

• 指针转换：将低位宽类型的指针转换为高位宽类型的指针，如：将char * 转为int *，或将void *转为结构体指针。这类操作是导致alignment fault的最主要的来源，在分析定位问题时，需要特别关注。对于出现异常却又必须这样使用的场景，对这类转换后的指针进行访问时，如果不能确认其对应的地址是对齐的，则应该使用memcpy访问(memcpy方式不存在对齐问题)。另外，建议转换后立即使用，不要将其传递到其他函数和模块，防止扩展，带来潜在的问题。

• 使用packed属性或者编译选项。这样的操作会关闭编译器的自动填充功能，从而使结构体中各个字段紧凑排列，如果排列时未处理好对齐，则可能导致alignment fault。一些场景下(内核中也较常见)确实需要用户自行紧凑排列结构体，可节省空间(在内存资源稀缺的场景下，很有用)，此时需要特别关注对齐问题，建议通过填充的方法尽量对齐，如此可能会导致空间浪费，但是会提升访问性能，典型的“以空间换时间”的思路。如果对空间有强烈要求，而可以接受性能损失，也可以不考虑对齐，不做padding，但在访问这些结构体的数据时，需要全部使用memcpy的方式。

解决方案

通常，对于alignment fault有如下几种处理方法，不同的方法对性能影响不同，如下按性能从高到低描述：

程序猿保证对齐

这是最理想的解决方案，没有性能损失(但可能会有一定的空间浪费)，对程序猿们的要求也比较高，但确实非常非常有必要。

写代码时需要记住：数据地址应该至少对齐到与访问宽度相同的水平。即：1字节访问无需对齐，2字节访问需要地址能被2整除，4字节访问需要地址能被4整除，8字节访问需要地址能被8整除。

另一方面，主流编译器通常会自动的通过填充pad来辅助处理对齐问题，程序猿们编程代码时，通常只需要关注：尽量将数据宽度大的字段(也即较长的double/longlong型变量)放到结构体的前面即可，如此，数据宽度较小的字段无需编译器补齐，从而可以节约内存。

此外，寄存器宽度也对对齐有影响，通常情况下，寄存器宽度即代表了最高的对齐要求，例如32位的arm，在载入8字节的数据(如longlong型)时，也只需要4字节对齐。另外需要注意一些cpu的拥有SIMD指令，这些指令对应的寄存器宽度往往要远大于cpu自己的核心寄存器，因而也会有更高的对齐要求。

还有，虽然memcpy(或memset)的方式不要求对齐，但对于device类型(linux内核中分配内存时指定)的内存，部分架构下(如ARM64)不能使用memcpy(或memset)的方式访问，否则也会出现alignment fault，具体案例请参考我的另一篇文章。

硬件处理

如前所述，一些CPU硬件自身已经支持非对齐访问，并且在多数情况下能够支持“快速非对齐访问”。这里的“快速”，指的是使用单个不对齐访问指令快于（拆分不对齐访问后产生的）两条对齐访问指令的情况。在这样的硬件下，我们通常无需在软件层面上做出特殊的布置和调整。但是，对于性能有要求的代码，还是需要慎重考虑是否添加pad来消除不对齐，因为到目前为止不对齐访问仍然明显的慢于对齐访问。

编译器或代码拆分

当cpu不能进行快速不对齐访问时，为了提高代码执行效率，应该在软件层面拆分不对齐访问指令。

现代的编译器通常都有对不对齐访问的特殊处理（例如gcc中的munaligned-access等选项）。当编译器检查到不对齐的访问（并且对应的目标硬件不支持快速不对齐访问时），会自动生成拆分访问的代码。但是，需要特别注意，编译器在编译时无法获知所有指针的地址信息，因此不能完全对齐对齐问题。

代码拆分，需要程序猿自行将不对齐的内存访问拆分成对齐的变量访问。例如一个int x指针，当我们知道x只是双字节对齐时，就要将其拆分两个short，如果不知道其地址的对齐情况，可以先对该指针地址进行4或者2的求余再来决定如何拆分，当然，这种情况下，也可以直接调用memcpy进行拷贝。在现代编译器中memcpy等常用函数已经被编译器高度优化了，其实现逻辑和我们前面手写代码是完全一样的。

内核处理

如前面描述，Linux内核(部分架构，如ARM)自身提供了对alignment fault的异常处理机制，对于内核来说alignment fault被当做一种异常来处理，类似于缺页异常，通常，该异常由硬件触发(x86等硬件自动处理的架构不会触发此类异常)，内核捕获后进行相应处理，比如进行一些fixup操作，如果修复成功，则万事大吉，用户感知不到(但性能上损耗严重)，如果不能修复，则进行后续处理，大致流程为：

• 判断是内核态还是用户态触发
• 如果是用户态，则给用户进程发送Sigbus信号，用户进程收到信号后触发coredump，搜集core文件。
• 如果是内核态，则直接进入die()流程，最终触发panic和kdump，搜集vmcore