x86、C++、gcc 和内存对齐

Question

我有这个简单的 C++ 代码：

int testFunction(int* input, long length) {
    int sum = 0;
    for (long i = 0; i < length; ++i) {
        sum += input[i];
    }
    return sum;
}


#include <stdlib.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    union{
        int* input;
        char* cinput;
    };

    size_t length = 1024;
    input = new int[length];


    //cinput++;

    cout<<testFunction(input, length-1);

}

如果我使用带有 -O3 的 g++ 4.9.2 编译它，它运行良好。我预计如果我取消注释倒数第二行，它会运行得更慢，但是它会在 SIGSEGV 中彻底崩溃。

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x0000000000400754 in main ()
(gdb) disassemble 
Dump of assembler code for function main:
   0x00000000004006e0 <+0>:     sub    $0x8,%rsp
   0x00000000004006e4 <+4>:     movabs $0x100000000,%rdi
   0x00000000004006ee <+14>:    callq  0x400690 <_Znam@plt>
   0x00000000004006f3 <+19>:    lea    0x1(%rax),%rdx
   0x00000000004006f7 <+23>:    and    $0xf,%edx
   0x00000000004006fa <+26>:    shr    $0x2,%rdx
   0x00000000004006fe <+30>:    neg    %rdx
   0x0000000000400701 <+33>:    and    $0x3,%edx
   0x0000000000400704 <+36>:    je     0x4007cc <main+236>
   0x000000000040070a <+42>:    cmp    $0x1,%rdx
   0x000000000040070e <+46>:    mov    0x1(%rax),%esi
   0x0000000000400711 <+49>:    je     0x4007f1 <main+273>
   0x0000000000400717 <+55>:    add    0x5(%rax),%esi
   0x000000000040071a <+58>:    cmp    $0x3,%rdx
   0x000000000040071e <+62>:    jne    0x4007e1 <main+257>
   0x0000000000400724 <+68>:    add    0x9(%rax),%esi
   0x0000000000400727 <+71>:    mov    $0x3ffffffc,%r9d
   0x000000000040072d <+77>:    mov    $0x3,%edi
   0x0000000000400732 <+82>:    mov    $0x3fffffff,%r8d
   0x0000000000400738 <+88>:    sub    %rdx,%r8
   0x000000000040073b <+91>:    pxor   %xmm0,%xmm0
   0x000000000040073f <+95>:    lea    0x1(%rax,%rdx,4),%rcx
   0x0000000000400744 <+100>:   xor    %edx,%edx
   0x0000000000400746 <+102>:   nopw   %cs:0x0(%rax,%rax,1)
   0x0000000000400750 <+112>:   add    $0x1,%rdx
=> 0x0000000000400754 <+116>:   paddd  (%rcx),%xmm0
   0x0000000000400758 <+120>:   add    $0x10,%rcx
   0x000000000040075c <+124>:   cmp    $0xffffffe,%rdx
   0x0000000000400763 <+131>:   jbe    0x400750 <main+112>
   0x0000000000400765 <+133>:   movdqa %xmm0,%xmm1
   0x0000000000400769 <+137>:   lea    -0x3ffffffc(%r9),%rcx
---Type <return> to continue, or q <return> to quit---

为什么会崩溃？它是编译器错误吗？我是否导致了一些未定义的行为？编译器是否期望整数始终是 4 字节对齐的？

我也在clang上测试过，没有崩溃。

这是 g++ 的汇编输出：http://pastebin.com/CJdCDCs4

Answer 1

代码input = new int[length]; cinput++; 导致未定义的行为，因为第二条语句正在读取一个未激活的联合成员。

即使忽略这一点，testFunction(input, length-1) 也会出于同样的原因再次出现未定义的行为。

即使忽略这一点，sum 循环也会通过错误类型的左值访问对象，该左值具有未定义的行为。

即使忽略这一点，从未初始化的对象中读取，就像您的 sum 循环所做的那样，也会再次出现未定义的行为。

Answer 2

gcc 已使用 SSE 指令对循环进行矢量化。 paddd（与大多数 SSE 指令一样）需要 16 字节对齐。我没有详细查看paddd 之前的代码，但我希望它最初假设 4 字节对齐，使用标量代码迭代（其中不对齐只会导致性能损失，而不是崩溃），直到它可以假设 16 字节对齐，然后进入 SIMD 循环，一次处理 4 个整数。通过添加 1 个字节的偏移量，您打破了整数数组 4 字节对齐的前提条件，之后所有的赌注都被取消了。如果您要对未对齐的数据做一些讨厌的事情（我强烈建议您不要这样做），那么您应该禁用自动矢量化 (gcc -fno-tree-vectorize)。

Answer 3

崩溃的指令是paddd（您将其突出显示）。该名称是“packed add doubleword”的缩写（参见例如here）——它是 SSE 指令集的一部分。这些指令需要对齐的指针；例如，上面的链接描述了paddd 可能导致的异常：

GP(0)

...（仅限 128 位操作）

如果内存操作数未在 16 字节边界上对齐，则与段无关。

这正是你的情况。编译器以这样一种方式排列代码，使其可以使用这些快速的 128 位操作，如 paddd，而你用你的 union 技巧颠覆了它。

我猜clang生成的代码不使用SSE，所以它对对齐不敏感。如果是这样，它也可能要慢得多（但你不会注意到它只有 1024 次迭代）。