请解释这个对齐错误

Question

#include <stdio.h>
void main(void)
{
    char array[4] = {0, 1, 2, 3};
    float *fpek;
    int i;
    for(i=0;i<4;i++)
    {
        fprintf(stderr,"i = %d ", i);
        fpek = (float *)(&array[i]);
        fprintf(stderr, "fpek = %lx ", (unsigned long) fpek);
        *fpek = (float) i + 10;
        fprintf(stderr, "*fpek = %.2f\n", *fpek);
    }
}

$ cc alignment.c
$ a.out
i = 0 fpek = effff0fc *fpek = 10.00
i = 1 fpek = effff0fd Bus error

上面的代码是在 C 编程练习材料中找到的。我理解这些陈述本身，但我并没有真正看到作者试图说明什么。为什么会出现总线错误？

Answer 1

对齐与否，这只是简单的错误：

    fpek = (float *)(&array[i]); // invalid for i>0, questionable for i==0
    fprintf(stderr, "fpek = %lx ", (unsigned long) fpek);
    *fpek = (float) i + 10;

由于array 最多有四个字符宽，即使您的系统-float 是 4 个字节，当使用 @ 分配时，您会立即寻址（可能未对齐）数据 i 超出数组范围的字节987654325@。一旦您取消引用该指针，您要么会由于未对齐而导致总线错误，或者，您的架构可能对float 没有对齐限制（并且大多数做）你'将开始使用下面的赋值来踩堆栈变量。

为了突出作者可能试图克服的错误（对齐可能很重要）而不引入除此之外的未定义行为，请考虑以下内容：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    /* note: defined to hold enough bytes for *two* floats. */
    float *fpek = NULL;
    char array[2*sizeof(*fpek)];
    int i;

    /* fill with incrementing values */
    for (i=0; i<sizeof(array)/sizeof(array[0]);++i)
        array[i] = (i+1);

    // now walk the array, one char at a time,
    //  casting the address of the current element
    //  to a float pointer and try to read/write it.
    fprintf(stderr, "array = %p, size=%lu\n", array, sizeof(array));
    for(i=0;i<sizeof(*fpek);++i)
    {
        fprintf(stderr,"i = %d, ", i);
        fpek = (void*)(array+i);
        fprintf(stderr, "fpek = %p, ", fpek);
        *fpek = i+10;
        fprintf(stderr, "*fpek = %.2f\n", *fpek);
    }

    return 0;
}

无论您的系统上的float 有多宽/多窄，这都将起作用，而不会引入未定义的行为特定于走过您的 char 数组的末尾。它很可能仍然会出现总线错误，但至少解决了超出数组下标的 UB。

在我的 Mac Air（英特尔 64 位 CPU）上运行它不会产生总线错误：

array = 0x7fff5fbff868, size=8
i = 0, fpek = 0x7fff5fbff868, *fpek = 10.00
i = 1, fpek = 0x7fff5fbff869, *fpek = 11.00
i = 2, fpek = 0x7fff5fbff86a, *fpek = 12.00
i = 3, fpek = 0x7fff5fbff86b, *fpek = 13.00

如您所见，我的平台对float 对齐并不是特别挑剔。您的结果可能（根据您之前的输出判断，可能会）会有所不同。

注意：fpek = (void*)(array+i); 的 (void*) 演员表可能看起来很奇怪，但这是 C，所以我可以摆脱它。我这样做的原因是为了让您演示​​其他浮点类型并查看它们是否有对齐限制。正如所写，您可以将函数顶部的fpek 声明更改为double：

double *fpek = NULL;

然后重新运行程序。在我的系统上，这会产生：

array = 0x7fff5fbff860, size=16
i = 0, fpek = 0x7fff5fbff860, *fpek = 10.00
i = 1, fpek = 0x7fff5fbff861, *fpek = 11.00
i = 2, fpek = 0x7fff5fbff862, *fpek = 12.00
i = 3, fpek = 0x7fff5fbff863, *fpek = 13.00
i = 4, fpek = 0x7fff5fbff864, *fpek = 14.00
i = 5, fpek = 0x7fff5fbff865, *fpek = 15.00
i = 6, fpek = 0x7fff5fbff866, *fpek = 16.00
i = 7, fpek = 0x7fff5fbff867, *fpek = 17.00

Answer 2

并非所有系统都可以对内存进行非对齐访问，例如旧的摩托罗拉 M68000 就无法做到这一点。发生这种情况时的典型错误是总线错误。不过，这些系统在今天变得不常见了，现代（而不是那么现代）的编译器应该能够正确处理它。

Answer 3

问题是您创建了一个 char 数组（分配的内存为 4 位）并将浮点指针指向数组的开头。您在将 10 添加到指针后尝试读取（因为指针来自 float 类型，它以 sizeof(float)*10 递增，并且这已经在数组之外。因此预计会产生错误。

尝试删除此行*fpek = (float) i + 10;。试试看。

另一件要改变的事情可能是 fprintf(stderr, "*fpek = %.2f\n", *fpek); 到 fprintf(stderr, "*fpek = %c\n", *fpek);