Linux錯誤(6)X64向量指令訪問地址未對齊引起SIGSEGV

Linux錯誤(6)X64向量指令訪問地址未對齊引起SIGSEGV

Author: Once Day Date: 2025年4月4日

一位熱衷于Linux學習和開發的菜鳥，試圖譜寫一場冒險之旅，也許終點只是一場白日夢…

漫漫長路，有人對你微笑過嘛…

全系列文章可參考專欄: Linux實踐記錄_Once_day的博客-CSDN博客

文章目錄

Linux錯誤(6)X64向量指令訪問地址未對齊引起SIGSEGV
- - - 1. 問題分析
    - - 1.1 現象介紹
      - 1.2 分析原因
      - 1.3 解決思路
      - 1.4 內存申請與對齊
    - 2. 實例驗證
    - - 2.1 使用posix_memalign對齊內存
      - 2.2 使用aligned_alloc 對齊內存
    - 3. 總結

1. 問題分析

1.1 現象介紹

X64設備上，如果定義一個結構體，其包含連續的整數字段，并且存在類似的算術操作，編譯會自動優化代碼，生成向量指令SSE/AVX(xmm0)，但是由于這些結構體的地址沒有對齊到16字節，讀取數據時會觸發SIGSEGV錯誤，造成coredump。

如下面這段代碼在O3優化等級下，會生成向量指令，從而觸發SIGSEGV問題:

struct result128 {uint64_t low;uint64_t high;
} __attribute__((aligned(16)));/* 禁止內聯 */
__attribute__((noinline)) void data128_add(struct result128 *result128, uint64_t low, uint64_t high)
{result128->low += low;result128->high += high;
}// data128_add函數二進制反匯編如下
// 1374:       66 48 0f 6e c6          movq   %rsi,%xmm0
// 1379:       66 48 0f 6e ca          movq   %rdx,%xmm1
// 137e:       66 0f 6c c1             punpcklqdq %xmm1,%xmm0
// 1382:       66 0f d4 07             paddq  (%rdi),%xmm0
// 1386:       0f 29 07                movaps %xmm0,(%rdi)

GDB調試運行結果如下，可以清晰看到執行的指令、代碼行和數據地址信息:

在這里插入圖片描述

整個源碼文件如下：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>struct result128 {uint64_t low;uint64_t high;
} __attribute__((aligned(16)));/* 禁止內聯 */
__attribute__((noinline)) void data128_add(struct result128 *result128, uint64_t low, uint64_t high)
{result128->low += low;result128->high += high;// -O3 編譯會生成如下代碼
// 1374:       66 48 0f 6e c6          movq   %rsi,%xmm0
// 1379:       66 48 0f 6e ca          movq   %rdx,%xmm1
// 137e:       66 0f 6c c1             punpcklqdq %xmm1,%xmm0
// 1382:       66 0f d4 07             paddq  (%rdi),%xmm0
// 1386:       0f 29 07                movaps %xmm0,(%rdi)
}int main(void)
{// 申請一段內存, 64字節uint8_t *data = malloc(64);memset(data, 0xb, 64);// 手動對齊到 1/2/4/8/16 字節uint8_t  *data1   = (uint8_t *)(((uintptr_t)data + 0) & ~0) + 1;uint16_t *data16  = (uint16_t *)(((uintptr_t)data + 1) & ~1);uint32_t *data32  = (uint32_t *)(((uintptr_t)data + 3) & ~3);uint64_t *data64  = (uint64_t *)(((uintptr_t)data + 7) & ~7);uint64_t *data128 = (uint64_t *)(((uintptr_t)data + 15) & ~15);printf("data addr       : %p \n", data);printf("  data1 addr    : %p \n", data1);printf("  data16 addr   : %p \n", data16);printf("  data32 addr   : %p \n", data32);printf("  data64 addr   : %p \n", data64);printf("  data128 addr  : %p \n", data128);printf("Data load test:\n");printf("  2 bytes, unalign: 0x%x(%p).\n", *(uint16_t *)data1, data1);printf("  4 bytes, unalign: 0x%x(%p).\n", *(uint32_t *)data1, data1);printf("  8 bytes, unalign: 0x%lx(%p).\n", *(uint64_t *)data1, data1);// 使用ASM內聯匯編讀取到xmm0寄存器struct result128 result128;// 讀取 128位數據到xmm0寄存器__asm__ volatile("movdqa %0, %%xmm0" : : "m"(*data128) : "%xmm0");// 將xmm0寄存器的值存儲到result128中__asm__ volatile("movdqa %%xmm0, %0" : "=m"(result128) : : "%xmm0");printf("  16 bytes align, result: 0x%lx, 0x%lx.\n", result128.low, result128.high);struct result128 *result128_addr = (struct result128 *)data1;data128_add(result128_addr, 0x1234567890abcdef, 0xfedcba0987654321);printf("  16 bytes unalign, result: 0x%lx, 0x%lx.\n", result128.low, result128.high);return 0;
}

1.2 分析原因

在X64架構下，未對齊的內存訪問(如2/4/8字節非對齊訪問)可能會導致性能下降，但通常不會引發SIGSEGV錯誤。當使用SSE/AVX向量指令(如paddq)訪問未對齊的內存時，會觸發SIGSEGV錯誤，因為這些指令要求內存地址必須對齊到16字節邊界。

編譯器在O3優化等級下，識別出result128結構體的連續整數字段，并自動生成了向量指令來優化代碼。雖然result128結構體本身聲明了16字節對齊，但實際傳入的結構體指針可能沒有對齊到16字節邊界，導致向量指令訪問未對齊內存而觸發SIGSEGV。

1.3 解決思路

確保傳入的result128結構體指針已對齊到16字節邊界。可以使用posix_memalign、aligned_alloc等函數分配對齊的內存。如果無法保證傳入指針的對齊性，可以在函數內部使用memcpy將未對齊的數據復制到局部的、已對齊的result128結構體中，再進行計算和寫回。

可以使用#pragma pack(16)聲明結構體，強制編譯器始終按16字節對齊結構體。但這可能會浪費內存空間。也可以使用__attribute__((aligned(16)))修飾函數參數，確保傳入的指針已對齊。但這需要調用方遵循對齊要求。

在編譯選項中使用-mno-sse或-mno-avx禁用向量指令，避免自動向量化。但這會影響性能。

如果以上方法都無法實現，可以嘗試修改算法，避免在結構體上使用連續的算術操作，從而避免觸發向量化。

1.4 內存申請與對齊

常見的動態內存分配函數如malloc、calloc、realloc等，默認情況下返回的內存地址已經滿足了基本的對齊要求，一般是按照系統的最大基本數據類型對齊(如long double、指針等)。但這些函數無法直接指定更大的對齊字節數。

以下是一些支持指定內存對齊字節數的函數:

（1）posix_memalign (POSIX標準)

int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size);

posix_memalign可以指定alignment參數，要求必須是2的冪次且至少為sizeof(void*)。函數將分配size字節的內存，并確保內存地址按alignment字節對齊。

（2）aligned_alloc (C11標準)

void *aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);

aligned_alloc類似于posix_memalign，但將對齊的內存地址直接返回，而不是通過指針參數傳遞。

（3）memalign (GNU擴展)

void *memalign(size_t alignment, size_t size);

memalign是GNU的擴展函數，功能與aligned_alloc相似，但可移植性較差。

（4）_aligned_malloc (Windows)

void *_aligned_malloc(size_t size, size_t alignment);

_aligned_malloc是Windows平臺下的對齊內存分配函數，類似于aligned_alloc。

（5）valloc (已廢棄)

void *valloc(size_t size);

valloc分配的內存按虛擬內存頁大小(通常為4KB)對齊，但已被廢棄，不建議使用。

使用這些對齊內存分配函數獲取的內存，必須使用對應的內存釋放函數(如aligned_free、free等)來釋放，以避免內存泄漏。

2. 實例驗證

2.1 使用posix_memalign對齊內存

使用posix_memalign申請16字節對齊內存，執行函數，然后釋放：

struct result128 *result128_addr;
int32_t ret = posix_memalign((void **)&result128_addr, 16, sizeof(struct result128));
if (ret != 0) {printf("posix_memalign failed, ret: %d.\n", ret);return -1;
}
data128_add(result128_addr, 0x1234567890abcdef, 0xfedcba0987654321);
printf("  16 bytes unalign, result: 0x%lx, 0x%lx.\n", result128_addr->low,result128_addr->high);// 釋放內存
free(data);
free(result128_addr);

在類Unix系統(如Linux、macOS等)中，只需包含<stdlib.h>即可使用posix_memalign函數。

posix_memalign是POSIX標準定義的函數，在某些嵌入式系統或者非POSIX兼容的操作系統上可能無法使用。在這種情況下，可以考慮使用其他平臺特定的對齊內存分配函數，或者自行實現對齊內存分配的邏輯。

2.2 使用aligned_alloc 對齊內存

使用與posix_memalign類似，如下：

struct result128 *result128_addr = aligned_alloc(16, sizeof(struct result128));
data128_add(result128_addr, 0x1234567890abcdef, 0xfedcba0987654321);
printf("  16 bytes unalign, result: 0x%lx, 0x%lx.\n", result128_addr->low,result128_addr->high);// 釋放內存
free(data);
free(result128_addr);