Linux错误(6)X64向量指令访问地址未对齐引起SIGSEGV

Linux错误(6)X64向量指令访问地址未对齐引起SIGSEGV

Author: Once Day Date: 2025年4月4日

一位热衷于Linux学习和开发的菜鸟，试图谱写一场冒险之旅，也许终点只是一场白日梦…

漫漫长路，有人对你微笑过嘛…

全系列文章可参考专栏: Linux实践记录_Once_day的博客-CSDN博客

文章目录

Linux错误(6)X64向量指令访问地址未对齐引起SIGSEGV
- - - 1. 问题分析
    - - 1.1 现象介绍
      - 1.2 分析原因
      - 1.3 解决思路
      - 1.4 内存申请与对齐
    - 2. 实例验证
    - - 2.1 使用posix_memalign对齐内存
      - 2.2 使用aligned_alloc 对齐内存
    - 3. 总结

1. 问题分析

1.1 现象介绍

X64设备上，如果定义一个结构体，其包含连续的整数字段，并且存在类似的算术操作，编译会自动优化代码，生成向量指令SSE/AVX(xmm0)，但是由于这些结构体的地址没有对齐到16字节，读取数据时会触发SIGSEGV错误，造成coredump。

如下面这段代码在O3优化等级下，会生成向量指令，从而触发SIGSEGV问题:

struct result128 {uint64_t low;uint64_t high;
} __attribute__((aligned(16)));/* 禁止内联 */
__attribute__((noinline)) void data128_add(struct result128 *result128, uint64_t low, uint64_t high)
{result128->low += low;result128->high += high;
}// data128_add函数二进制反汇编如下
// 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调试运行结果如下，可以清晰看到执行的指令、代码行和数据地址信息:

在这里插入图片描述

整个源码文件如下：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>struct result128 {uint64_t low;uint64_t high;
} __attribute__((aligned(16)));/* 禁止内联 */
__attribute__((noinline)) void data128_add(struct result128 *result128, uint64_t low, uint64_t high)
{result128->low += low;result128->high += high;// -O3 编译会生成如下代码
// 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)
{// 申请一段内存, 64字节uint8_t *data = malloc(64);memset(data, 0xb, 64);// 手动对齐到 1/2/4/8/16 字节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内联汇编读取到xmm0寄存器struct result128 result128;// 读取 128位数据到xmm0寄存器__asm__ volatile("movdqa %0, %%xmm0" : : "m"(*data128) : "%xmm0");// 将xmm0寄存器的值存储到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架构下，未对齐的内存访问(如2/4/8字节非对齐访问)可能会导致性能下降，但通常不会引发SIGSEGV错误。当使用SSE/AVX向量指令(如paddq)访问未对齐的内存时，会触发SIGSEGV错误，因为这些指令要求内存地址必须对齐到16字节边界。

编译器在O3优化等级下，识别出result128结构体的连续整数字段，并自动生成了向量指令来优化代码。虽然result128结构体本身声明了16字节对齐，但实际传入的结构体指针可能没有对齐到16字节边界，导致向量指令访问未对齐内存而触发SIGSEGV。

1.3 解决思路

确保传入的result128结构体指针已对齐到16字节边界。可以使用posix_memalign、aligned_alloc等函数分配对齐的内存。如果无法保证传入指针的对齐性，可以在函数内部使用memcpy将未对齐的数据复制到局部的、已对齐的result128结构体中，再进行计算和写回。

可以使用#pragma pack(16)声明结构体，强制编译器始终按16字节对齐结构体。但这可能会浪费内存空间。也可以使用__attribute__((aligned(16)))修饰函数参数，确保传入的指针已对齐。但这需要调用方遵循对齐要求。

在编译选项中使用-mno-sse或-mno-avx禁用向量指令，避免自动向量化。但这会影响性能。

如果以上方法都无法实现，可以尝试修改算法，避免在结构体上使用连续的算术操作，从而避免触发向量化。

1.4 内存申请与对齐

常见的动态内存分配函数如malloc、calloc、realloc等，默认情况下返回的内存地址已经满足了基本的对齐要求，一般是按照系统的最大基本数据类型对齐(如long double、指针等)。但这些函数无法直接指定更大的对齐字节数。

以下是一些支持指定内存对齐字节数的函数:

（1）posix_memalign (POSIX标准)

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

posix_memalign可以指定alignment参数，要求必须是2的幂次且至少为sizeof(void*)。函数将分配size字节的内存，并确保内存地址按alignment字节对齐。

（2）aligned_alloc (C11标准)

void *aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);

aligned_alloc类似于posix_memalign，但将对齐的内存地址直接返回，而不是通过指针参数传递。

（3）memalign (GNU扩展)

void *memalign(size_t alignment, size_t size);

memalign是GNU的扩展函数，功能与aligned_alloc相似，但可移植性较差。

（4）_aligned_malloc (Windows)

void *_aligned_malloc(size_t size, size_t alignment);

_aligned_malloc是Windows平台下的对齐内存分配函数，类似于aligned_alloc。

（5）valloc (已废弃)

void *valloc(size_t size);

valloc分配的内存按虚拟内存页大小(通常为4KB)对齐，但已被废弃，不建议使用。

使用这些对齐内存分配函数获取的内存，必须使用对应的内存释放函数(如aligned_free、free等)来释放，以避免内存泄漏。

2. 实例验证

2.1 使用posix_memalign对齐内存

使用posix_memalign申请16字节对齐内存，执行函数，然后释放：

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);// 释放内存
free(data);
free(result128_addr);

在类Unix系统(如Linux、macOS等)中，只需包含<stdlib.h>即可使用posix_memalign函数。

posix_memalign是POSIX标准定义的函数，在某些嵌入式系统或者非POSIX兼容的操作系统上可能无法使用。在这种情况下，可以考虑使用其他平台特定的对齐内存分配函数，或者自行实现对齐内存分配的逻辑。

2.2 使用aligned_alloc 对齐内存

使用与posix_memalign类似，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);// 释放内存
free(data);
free(result128_addr);