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非對齊內(nèi)存訪問

:作者: Daniel Drake dsd@gentoo.org,
:作者: Johannes Berg johannes@sipsolutions.net

:以及和來自他們的幫助: Alan Cox, Avuton Olrich, Heikki Orsila, Jan Engelhardt,
Kyle McMartin, Kyle Moffett, Randy Dunlap, Robert Hancock, Uli Kunitz,
Vadim Lobanov

Linux 運行在各種架構(gòu)上，這些架構(gòu)在內(nèi)存訪問方面具有不同的行為。這篇文檔描述了一些關(guān)于非對齊訪問的細節(jié)，本文檔提供了有關(guān)未對齊訪問的一些詳細信息，為什么需要編寫不會導(dǎo)致它們的代碼，以及如何編寫此類代碼！

非對齊訪問的定義

當你嘗試從不能被 N 整除的地址（即 addr % N != 0）開始讀取 N 個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，會發(fā)生未對齊的內(nèi)存訪問。例如，從地址0x10004處讀取4個字節(jié)的數(shù)據(jù)是不錯的，但是從地址0x10005處讀取4個字節(jié)就會導(dǎo)致非對齊內(nèi)存訪問。

以上看起來可能有些不清楚，因為內(nèi)存訪問可以以不同的方式發(fā)生。這里的上下文是在機器代碼別：某些指令從內(nèi)存讀取或?qū)懭攵鄠€字節(jié)（例如 x86 匯編中的 movb、movw、movl）。很明顯，識別那些會被編譯為多字節(jié)內(nèi)存訪問指令的 C 語句相對容易，即在處理 u16、u32 和 u64 等類型時。

自然對齊

上面提到的規(guī)則形成了我們所說的自然對齊：
訪問 N 字節(jié)內(nèi)存時，內(nèi)存基地址必須能被 N 整除，即 addr % N == 0。

在編寫代碼時，需要假設(shè)目標架構(gòu)有自然的對齊要求。

實際上，只有少數(shù)架構(gòu)需要對所有大小的內(nèi)存訪問進行自然對齊。 但是，我們必須考慮所有支持的架構(gòu)； 編寫滿足自然對齊要求的代碼是實現(xiàn)完全可移植性的最簡單方法。

為什么非對齊訪問不好

執(zhí)行未對齊內(nèi)存訪問的效果因架構(gòu)而異。 在這里寫一篇關(guān)于差異的完整文檔會很容易；常見情況概述如下：

• Some architectures are able to perform unaligned memory accesses
  transparently, but there is usually a significant performance cost.
• 某些體系結(jié)構(gòu)能夠透明地執(zhí)行未對齊的內(nèi)存訪問，但通常會產(chǎn)生顯著的性能成本。
• 當發(fā)生未對齊的訪問時，某些架構(gòu)會引發(fā)處理器異常。異常處理程序能夠糾正未對齊的訪問，但對性能的影響很大。
• 某些架構(gòu)在發(fā)生未對齊訪問時會引發(fā)處理器異常，但這些異常沒有包含足夠的信息來糾正未對齊訪問。
• 某些架構(gòu)無法進行未對齊的內(nèi)存訪問，但會默默地對請求的內(nèi)存執(zhí)行不同的內(nèi)存訪問，從而導(dǎo)致難以檢測的微妙的代碼錯誤！

從上面應(yīng)該可以明顯看出，如果你的代碼導(dǎo)致發(fā)生未對齊的內(nèi)存訪問，您的代碼將無法在某些平臺上正常工作，并且會在其他平臺上導(dǎo)致性能問題。

不會引起非對齊訪問的代碼

乍一看，上面的概念似乎與實際的編碼實踐聯(lián)系起來有點困難。 畢竟，您對某些變量的內(nèi)存地址等沒有太多控制權(quán)。

幸運的是那并不是很復(fù)雜，就像在大多數(shù)場景下，編譯器會確保這些對你有用。例如，采用以下結(jié)構(gòu)：

struct foo {u16 field1;u32 field2;u8 field3; };

假設(shè)有一個上面結(jié)構(gòu)的實例駐留在以0x10000開始的地址。一個基本的理解是，訪問filed2會導(dǎo)致非對齊訪問是正常的。你期望 field2 位于結(jié)構(gòu)中偏移 2 個字節(jié)處，即地址 0x10002，但該地址不能被 4 整除（請記住，我們在這里讀取的是 4 個字節(jié)的值）。

幸運的是，編譯器理解對齊限制，所以在上面的場景中它會在field1和field2之間插入兩個字節(jié)。因此，對于標準結(jié)構(gòu)類型，你始終可以依靠編譯器來填充結(jié)構(gòu)，以便對字段的訪問適當對齊（假設(shè)您沒有將字段強制轉(zhuǎn)換為不同長度的類型）。

同樣，你也可以依靠編譯器根據(jù)變量類型的大小將變量和函數(shù)參數(shù)對齊到自然對齊的方案。

在這點上，不言而喻，訪問單個字節(jié)(u8或者char)永遠不會造成非對齊，因為所有的內(nèi)存地址是可以被1整除的。

在一個相關(guān)主題上，考慮到上述注意事項，你可以觀察到，你可以對結(jié)構(gòu)中的字段重新排序，以便將字段放置會插入填充的位置，從而減少結(jié)構(gòu)實例的整體駐留內(nèi)存大小。 的最佳布局
上面的例子是::

struct foo {u32 field2;u16 field1;u8 field3; };

對于自然對齊方案，編譯器只需在結(jié)構(gòu)末尾添加一個字節(jié)的填充。添加此填充是為了滿足這些結(jié)構(gòu)的數(shù)組的對齊約束。

另一個值得考慮的點是在一個結(jié)構(gòu)類型中__ attribute__((packed))的使用。這個特定于 GCC 的屬性告訴編譯器永遠不要在結(jié)構(gòu)中插入任何填充，當您想使用 C 結(jié)構(gòu)來表示一些固定順序排列的數(shù)據(jù)時非常有用。

您可能會認為，在訪問不滿足體系結(jié)構(gòu)對齊要求的字段時，使用此屬性很容易導(dǎo)致未對齊的訪問。 然而，同樣，編譯器知道對齊約束，并將生成額外的指令來以不會導(dǎo)致未對齊訪問的方式執(zhí)行內(nèi)存訪問。 當然，與非壓縮情況相比，額外的指令顯然會導(dǎo)致性能損失，因此只有在避免結(jié)構(gòu)填充很重要時才應(yīng)使用壓縮屬性。

會造成非對齊訪問的代碼

考慮到上述情況，讓我們進入一個可能導(dǎo)致未對齊內(nèi)存訪問的函數(shù)的真實示例。 以下來自 include/linux/etherdevice.h 的函數(shù)是一個優(yōu)化的例程，用于比較兩個以太網(wǎng) MAC 地址的相等性：

bool ether_addr_equal(const u8 *addr1, const u8 *addr2){#ifdef CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESSu32 fold = ((*(const u32 *)addr1) ^ (*(const u32 *)addr2)) |((*(const u16 *)(addr1 + 4)) ^ (*(const u16 *)(addr2 + 4)));return fold == 0;#elseconst 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;#endif}

在上面的函數(shù)中，當硬件具有高效的非對齊訪問能力時，這段代碼沒有問題。 但是當硬件無法訪問任意邊界上的內(nèi)存時，對 a[0] 的引用會導(dǎo)致從地址 addr1 開始的內(nèi)存中讀取 2 個字節(jié)（16 位）。

Think about what would happen if addr1 was an odd address such as 0x10003.
(Hint: it’d be an unaligned access.)

想想如果addr1是一個奇數(shù)地址比如0x10003，會發(fā)生什么(提示：這是一個非對齊訪問)。

盡管上述函數(shù)存在潛在的未對齊訪問問題，但無論如何它都包含在內(nèi)核中，但被理解為只能在 16 位對齊地址上正常工作。 由調(diào)用者來確保這種對齊或根本不使用此功能。 這種對齊不安全的功能仍然很有用，因為它對于可以確保對齊的情況來說是一個不錯的優(yōu)化，在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中幾乎所有場景都是如此。

下面是一些可能導(dǎo)致未對齊訪問的代碼示例：

void myfunc(u8 *data, u32 value) {[...]*((u32 *) data) = cpu_to_le32(value);[...] }

每當 data 參數(shù)指向一個不能被 4 整除的地址時，此代碼將導(dǎo)致未對齊的訪問。

總之，您可能會遇到未對齊訪問問題的 2 個主要場景包括：

將變量轉(zhuǎn)換為不同長度的類型

指針運算，然后訪問至少 2 個字節(jié)的數(shù)據(jù)

避免非對齊訪問

避免未對齊訪問的最簡單方法是使用 <asm/unaligned.h> 頭文件提供的 get_unaligned() 和 put_unaligned() 宏。

回到之前可能導(dǎo)致未對齊訪問的代碼示例：

void myfunc(u8 *data, u32 value) {[...]*((u32 *) data) = cpu_to_le32(value);[...] }

為了避免非對齊內(nèi)存訪問，你可以像下面一樣重寫：

void myfunc(u8 *data, u32 value) {[...]value = cpu_to_le32(value);put_unaligned(value, (u32 *) data);[...] }

get_unaligned() 宏的工作原理類似。 假設(shè) ‘data’ 是一個指向內(nèi)存的指針并且您希望避免未對齊的訪問，它的用法如下：

u32 value = get_unaligned((u32 *) data);

這些宏適用于任何長度的內(nèi)存訪問（不僅僅是上面例子中的 32 位）。請注意，與對齊內(nèi)存的標準訪問相比，使用這些宏訪問未對齊的內(nèi)存在性能方面可能代價高昂。

如果使用此類宏不方便，另一種選擇是使用 memcpy()，其中源或目標（或兩者）的類型為 u8* 或 unsigned char*。由于此操作的逐字節(jié)性質(zhì)，避免了未對齊的訪問。

對齊與網(wǎng)絡(luò)

在需要對齊負載的架構(gòu)上，網(wǎng)絡(luò)要求 IP 標頭在四字節(jié)邊界上對齊以優(yōu)化 IP 堆棧。 對于常規(guī)以太網(wǎng)硬件，使用常量 NET_IP_ALIGN。 在大多數(shù)架構(gòu)上，這個常量的值為 2，因為正常的以太網(wǎng)頭是 14 字節(jié)長，所以為了獲得正確的對齊，需要 DMA 到一個可以表示為 4*n + 2 的地址。這里一個值得注意的例外是 powerpc 它將 NET_IP_ALIGN 定義為 0，因為未對齊地址的 DMA 可能非常昂貴，并且使未對齊加載的成本相形見絀。

對于某些無法 DMA 到未對齊地址（如 4*n+2 或非以太網(wǎng)硬件）的以太網(wǎng)硬件，這可能是一個問題，然后需要將傳入的幀復(fù)制到對齊的緩沖區(qū)中。 因為這在可以進行非對齊訪問的架構(gòu)上是不必要的，所以代碼可以像這樣依賴于 CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS：

#ifdef CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESSskb = original skb #elseskb = copy skb #endif

譯注：
其他非對齊訪問資料：談?wù)剝?nèi)存對齊

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的非对齐内存访问的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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