对齐异常alignment

对齐异常alignment

昨天终于解决了和ticon相关的alignment exception。

现象很明显,就是当dkm加了ticon相关的库以后,因为ticon本身代码编译出来是支持spe协处理器指令和矢量运算指令的,因此,最终的dkm二进制文件是有spe协处理器指令的,而那个指令读取数据必须是16字节对齐。

这个问题,辉姐曾经也遇见过,她的解决办法是:使用编译参数,让其不生成spe协处理器指令,没有了这个指令,当然读取数据是4字节对齐就可以啦噻。。也就是说间接跳过了这个问题。

然而,我们不能这么改,因为我们得不到ticon的源码,甚至编译参数都得不到,也就是说不能不让其生成这个spe协处理器指令。那么必须解决对齐异常!

通过异常信息,我们可以看到要访问的数据所在地址是:0x01508a7c。它是4字节对齐的,因此报错。

那么怎么才能让这个数据16字节对齐呢?

要回答这个问题,首先得知道这个数据可能放在那些地方。我认为可能的地方有:数据段,bss段,栈,堆。

全局变量,静态变量在data和bss中,因此,我在bss和data段的链接脚本里面都见了. = ALIGN(16);

局部变量在栈上面,因此我通过taskShow ID 2,查看了栈基址。也通过反汇编看出来了每个栈开始时都是减去16的倍数。

那么有没有可能是堆呢?我们查看了数据访问异常地址,然后通过taskShow ID 2,果然,在堆里!

既然找到了问题所在,解决就是关键。询问辉姐,得知堆的内存分配一般都和malloc相关,因此,当os正常运行后,我们在shell里,查看memDefaultAlignment的值,果然是4字节对齐!因此,在shell里,输入memDefaultAlignment=16,更改了字节对齐,然后测试,使用malloc 3来分配三个字节的空间,结果发现返回的地址是16字节对齐的了。再运行包含ticon的dkm项目,运行成功了!看见了小耗子吃奶酪的图形界面,问题解决!!!

等等,别急着高兴,这里也引出了一个更重要的问题,对一个问题的解决,不能知其然而不知其所以然,从根本入手,才是堂皇正道。因此,内存对齐的原理到底是什么?

询问笑哥以及查阅资料,我认识到:只要和内存相关和地址相关,那就肯定有内存对齐的问题。主要分两方面原因:

  1. 平台原因:不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取得某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。

  2. 性能原因:经过内存对齐后,CPU的内存访问速度会大大提升。

在CPU眼中,内存不是按字节字节的分的,而是按块分的。块大小可以是2/4/8/16字节,因此CPU读取内存也是一块一块读的。块大小,称为memory granularity,即内存读取粒度。

对于对齐,我认为可以从两个方面考虑,一是对齐的基址,二是偏移。此次问题就是基址没有16字节对齐。

对于对齐基址,我想可以有以下几方面:任务栈基址,分配堆空间的malloc时使用的对齐基址,以及各种代码段,数据段的开始基址。

对于偏移,我做了以下实验:

image.png

结果发现:

image.png

也就是说两个结构体,仅仅里面包含的数据类型位置变了,sizeof出来的大小不一样!

这就是内存对齐的影响,这也是编译器干的活,编译器为每一个数据单元安排在合适的位置上。

内存对齐规则:

  1. 对于结构的各个成员,第一个成员位于偏移为0的位置,以后每个成员的偏移量必须是min(#pragma pack(n)指定的数,这个数据成员自身长度)的倍数;

  2. 在数据成员完成各自对齐之后,结构(或联合)本身也是要进行对齐,对齐将按照#pragma pack(n)指定的数值和结构最大数据成员大小中,比较小的那个进行。

pragma pack(n)表示设置为n字节对齐。

pragma pack(),则是取消自定义对齐方式。

这是一个预处理指令,且只对当前文件,且该预处理指令之后的数据生效。这是全局对其设置。

而单变量设置:

attribute((aligned(n))),让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n,则按照最大成员的长度来对齐。

attribute((packed)),取消优化对齐。

image.png

结果如下:

image.png

但是看了我的举例,我又疑惑了,难道字节对齐就是用于结构体的吗?其实如果是普通的数据类型,那么我们就按照对齐规则2就行了。

那么,函数会按照字节对齐吗?

image.png

结果呢?

image.png

可见,对于函数,它是没有字节对齐的,挨着来就行了。而对齐,就是针对于数据,对齐异常,一般也就出现在数据访问了。

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