加载未对齐的地址和 UBsan 发现

Question

这个问题不是关于未对齐数据访问的定义，而是为什么memcpy 会沉默 UBsan 的发现而类型转换却不会，尽管生成了相同的汇编代码。

我有一些示例代码来解析一个协议，该协议发送一个字节数组，分成六字节组。

void f(u8 *ba) {
    // I know this array's length is a multiple of 6
    u8 *p = ba;
    u32 a = *(u32 *)p;
    printf("a = %d\n", a);
    p += 4;
    u16 b = *(u16 *)p;
    printf("b = %d\n", b);

    p += 2;
    a = *(u32 *)p;
    printf("a = %d\n", a);
    p += 4;
    b = *(u16 *)p;
    printf("b = %d\n", b);
}

在将指针增加 6 并进行另一次 32 位读取后，UBSan 报告有关未对齐负载的错误。我使用memcpy 而不是类型双关语来抑制此错误，但我不太了解原因。需要明确的是，这里是没有 UBSan 错误的相同例程，

void f(u8 *ba) {
    // I know this array's length is a multiple of 6 (
    u8 *p = ba;
    u32 a;
    memcpy(&a, p, 4);
    printf("a = %d\n", a);
    p += 4;
    memcpy(&b, p, 2);
    printf("b = %d\n", b);

    p += 2;
    memcpy(&a, p, 4);
    printf("a = %d\n", a);
    p += 4;
    memcpy(&b, p, 2);
    printf("b = %d\n", b);
}

两个例程都编译为相同的汇编代码（使用movl 进行32 位读取，使用movzwl 进行16 位读取），那么为什么一个未定义行为是另一个未定义行为？ memcpy 是否有一些特殊的属性可以保证某些东西？

我不想在这里使用memcpy，因为我不能依赖编译器在优化它方面做得足够好。

Answer 1

UB sanitizer 用于检测代码不是严格符合的，并且实际上依赖于无法保证的未定义行为。

实际上，C 标准说只要将指针转换为地址未适当对齐的类型，行为就未定义。 C11 (draft, n1570) 6.3.2.3p7:

指向对象类型的指针可以转换为指向不同对象类型的指针。如果结果指针未正确对齐 68) 引用类型，则行为未定义。

即

u8 *p = ba;
u32 *a = (u32 *)p; // undefined behaviour if misaligned. No dereference required

this 类型转换的存在允许编译器假定 ba 与 4 字节边界对齐（在需要如此对齐 u32 的平台上，许多编译器将在 x86 上执行），之后它可以生成假定对齐的代码。

即使在 x86 平台上，也有一些指令会严重失败： innocent-looking code 可以编译成机器码，在运行时会导致中止。 UBSan 应该在代码中捕获这种情况，否则在您运行它时看起来很正常并且行为“如预期”，但如果使用另一组选项或不同的选项编译则会失败优化级别。

编译器可以为memcpy 生成正确代码 - 而且经常，但这只是因为编译器会知道未对齐的访问会起作用并执行在目标平台上足够好。

最后：

我不想在这里使用memcpy，因为我不能依赖编译器在优化它方面做得足够好。

你在这里说的是：“我希望我的代码仅在被垃圾或生成慢代码的两个十年前的编译器编译时可靠地工作。绝对不是在编译时与可以优化它以使其快速运行的那些。”

Answer 2

您的对象的原始类型最好是u32，u32 的数组...否则，您可以使用memcpy 明智地处理这个问题。这不太可能成为现代系统的重大瓶颈。我不会担心这个。

在某些平台上，整数不可能存在于每个可能的地址中。考虑您系统的最大地址，我们可以假设0xFFFFFFFFFFFFFFFF。这里不可能存在四字节整数，对吧？

有时在硬件上执行优化以基于此对齐总线（从 CPU 到各种外围设备、内存等的一系列电线），其中之一是假设仅出现各种类型的地址例如，它们大小的倍数。在此类平台上未对齐的访问可能会导致陷阱（segfault）。

因此，UBSan 正确地警告您这个不可移植且难以调试的问题。

这个问题不仅会导致某些系统完全无法工作，而且您会发现允许您访问不对齐的系统需要通过总线进行第二次提取以检索整数的第二部分。

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这段代码还有一些其他问题。

printf("a = %d\n", a);

如果您想打印int，您应该使用%d。但是，您的论点是u32。不要像这样与您的论点不匹配；这也是未定义的行为。我不确定u32 是如何为您定义的，但我想最接近标准的功能可能是uint32_t（来自<stdint.h>）。您应该在要打印uint32_t 的任何地方使用"%"PRIu32 作为格式字符串。 PRIu32（来自<inttypes.h>）符号提供了实现定义的字符序列，实现printf 函数将识别这些字符。

请注意，此问题在其他地方重复出现，您使用的是 u16 类型：

printf("b = %d\n", b);

"%"PRIu16 可能就足够了。