【Linux】什么是总线错误？

Linux

发布日期: 2021-08-02

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大家好，我是杂烩君。

最近踩了一个总线错误的坑，简单总结、复盘分享给大家：

什么是总线错误？

平时开发过程中，我们常遇到的、引起进程崩溃的错误，大多都是段错误吧。段错误（segmentation fault）就是指访问的内存超出了系统所给这个程序的内存空间，比如操作空指针、数组越界等。

与段错误比较相似，总线错误（Bus Error）就是因为对非对齐地址的访问导致CPU读取数据违反了一定的总线规则。

CPU处于性能方面的考虑，要求对数据进行访问时都必须是地址对齐的。如果发现进行的不是地址对齐的访问，就会发送SIGBUS信号给进程，使进程产生 core dump。

总线错误与CPU架构有关，有些架构的CPU支持不对齐访问。下面我们通过实例来进行分析：

总线错误的实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#pragma pack(1)
struct struct_x
{
    char a;
    float b;
    char c;
};
#pragma pack()

int main(void)
{
    struct struct_x test = {0};

    printf("sizeof(struct struct_x) = %ld\n", sizeof(test));

    test.a = 1;
    test.b = 2.0;
    test.c = 3;

    char *a = &test.a;
    float *b = &test.b;
    char *c = &test.c;

    printf("*a = %d, addr = %p\n", *a, a);
    printf("*b = %f, addr = %p\n", *b, b);
    printf("*c = %d, addr = %p\n", *c, c);

    return 0;
}

#pragma pack 可以改变编译器的对齐方式：

#pragma pack(n)  /* 指定按n字节对齐 */
#pragma pack()   /* 取消自定义字节对齐 */

在pc端，可以正常运行：

因为x86/x64系列CPU都支持不对齐访问，也提供了开关禁用这个机制。x86/x64架构不要求对齐访问的时候，必定会有性能代价。

但是，在arm板上测试：

出现了总线错误，因为结构体变量test的成员b的地址是不对齐的地址。CPU访问地址要求是四字节对齐，访问了*(addr+0x001)就会引发异常。

这时候，在struct_x的成员a、b之前增加个占用3个字节的成员d，看看还会不会报错：

struct struct_x
{
    char a;
    char d[3];
    float b;
    char c;
};

可见，成员b可以正常访问，因为这时候b的地址处于四字节对齐地址。

上面的总线错误，毫无疑问，就是对齐问题导致的。

但是，这里有个疑问。假如，我们把成员b的类型改为int类型，这时候会不会产生总线错误？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#pragma pack(1)
struct struct_x
{
    char a;
    int b;
    char c;
};
#pragma pack()


int main(void)
{
    struct struct_x test = {0};

    printf("sizeof(struct struct_x) = %ld\n", sizeof(test));

    test.a = 1;
    test.b = 2;
    test.c = 3;

    char *a = &test.a;
    int *b = &test.b;
    char *c = &test.c;

    printf("sizeof(float) = %d, sizeof(int) = %d\n", sizeof(float), sizeof(int) );
    printf("*a = %d, addr = %p\n", *a, a);
    printf("*b = %d, addr = %p\n", *b, b);
    printf("*c = %d, addr = %p\n", *c, c);

    return 0;
}