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字节对齐和强制类型转换引发的ARM指令Crash问题

发表于2017-05-17
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综述：

这个bug是由于项目代码中对指针进行了强转，强转前后的结构体存在字节对齐不匹配问题，在GCC进行O2编译优化时，部分代码转换为LDMIA/STMIA指令，该指令要求指针四字节对齐，从而引发了崩溃。

现象

现有项目中需要使用diff算法对指令数据进行压缩，该算法实现的正确性已经在PC端经过原有项目的检验，但是在移植到arm平台时却遇到了诡异的crash，程序会莫名崩溃在diff代买中。其堆栈也已经被bugly捕获，看不到有用信息。

分析

1.log定位出错代码

  • 通过在代码中增加log日志，初步判断出错在extend_cover中的如下代码块：
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    for (int i=0; i<(int)diff.coverPos; ++i)  {
        TInt newPos_next=(TInt)(diff.pNewData_end-diff.pNewData); if (i+1<(int)diff.coverPos)
            newPos_next=cover[i+1].newPos; TOldCover& curCover=cover[i]; TInt extendLength_front=getCanExtendLength(curCover.oldPos-1,curCover.newPos-1,-1,lastNewPos,newPos_next,diff); if (extendLength_front>0)
        {
            /******crash begin******/
            curCover.oldPos-=extendLength_front; curCover.newPos-=extendLength_front; curCover.length+=extendLength_front; /******crash edn *****/
        }
        TInt extendLength_back=getCanExtendLength(curCover.oldPos+curCover.length,curCover.newPos+curCover.length,1,lastNewPos,newPos_next,diff);
        if (extendLength_back>0)
        {
            curCover.length+=extendLength_back;
        }
        lastNewPos=curCover.newPos+curCover.length;
    }

  • 进一步定位是哪条语句出问题时，遇到一个诡异的事情，只要增加如下的log日志，则程序又能够正确运行，无crash：
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    if (extendLength_front>0)
           { /******诡异的log日志******/ TRACER_LOG(TCG_INFO, "curCover [%x]", &curCover);
               curCover.oldPos-=extendLength_front;
               curCover.newPos-=extendLength_front;
               curCover.length+=extendLength_front;
           }

  • 一条log语句导致程序运行情况完全不同，只有对比前后两种情况下汇编指令实现的差异，找到其中的不同点来查找线索。

2.汇编代码对比查找差异

  • 无log出错情况下出错代码的arm汇编如下：

  • 对应的有log可以正常运行的arm汇编如下：

  • 在这个时候还没有怀疑是STMIA指令的问题，此时反而怀疑是否是外部某些地方将数据写错导致取指错误。重新梳理了一遍代码逻辑，diff代码是单开了一个线程进行处理，不存在其他线程写坏diff数据的问题。难道是无意中触发了编译器bug导致该处取值时出错了？

3.对比不同编译器和编译选项

出错的程序使用ndk r12b版本进行编译，优化级别是–O2。为了对比不同的编译器和编译选项问题，将ndk r10e/r11c/r12b/r13b/r14b都进行了测试，同时对比了不同的编译选项–O0/ -O1 / -O2。

  • 所有编译器版本上，在-O0的优化级别上，编译出来的程序全部都能正确运行；
  • 在-O1优化级别上，使用r10e/r11c/r12b编译出来的程序均可以正常运行，r13b/r14b使用的是clang编译器，编译出来的程序会有新的崩溃点：
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    if ((curEqLength < lastLinkEqLength + kUnLinkLength) && (newPos - lastNewPos > 0))
    { const TInt linkEqLength=getEqualLength(diff.pOldData+lastOldPos+(newPos-lastNewPos), diff.pOldData_end,diff.pNewData+newPos, diff.pNewData_end);  const TInt linkLength=(newPos-lastNewPos)+linkEqLength;  if (diff.coverPos == 0)
        { /***********crash block begin**********/ (diff.pCover+diff.coverPos)->newPos = lastNewPos; (diff.pCover+diff.coverPos)->oldPos = lastOldPos; (diff.pCover+diff.coverPos)->length = linkLength;
        diff.coverPos++; /***********crash block end**********/ }  else {
        TOldCover* curCover = diff.pCover+(diff.coverPos-1);
            curCover->length+=linkLength;
        }
        newPos+=std::max(linkEqLength,curEqLength);//实际等价于+=curEqLength;
    }

  • 使用-O2优化级别，r10e/r11c/r12b0编译的程序重现问题，尝试对-O2中的优化选项进行分析，发现-O2时加上-fno-peephole2 -fno-schedule-insns编译选项，编译的程序则可以继续运行。
  • 查找-fno-peephole2 -fno-schedule-insns的相关资料，发现前者是机器相关的优化，后者是指令重排的优化。难道是因为优化导致的部分代码逻辑错误，得，还是分析汇编。

4.去掉指令重排和机器优化的O2优化代码汇编分析

既然加上-fno-peephole2 -fno-schedule-insns进行编译的代码可以正常运行，那么就对比下和常规O2优化下代码的差异。

  • 去掉指令重排和机器优化的汇编代码：

  • 和之前的汇编代码进行对比，发现上述代码和加了log可以正常运行的汇编代码基本一致，每次数据存储时都是一个一个存储，而出错的arm汇编中使用了STMIA汇编指令一次存储了两个数据：

5.问题最终定位

上面讲到，两种正确情况下，都是对数据一次一次存储，出错的情况是用了STMIA一次存储两个数据，那么就从STMIA指令开始查起。

  • 查找STMIA/LDMIA相关的资料，发现有如下表述：

Load/store instructions that act on multiple registers, for example LDM, are considered as working with multiple word quantities, so these instructions also require 4-byte aligned addresses. 

资料链接：http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.faqs/ka15414.html

  • 通过日志输出，判断出出错代码的指针确实不是四字节对齐：

  •  对代码进行分析

TOldCover结构体指针pCover由结构体stNetFrameBuffer中的byData强转而来，结构体stNetFrameBuffer设置了一字节对齐，但是TOldCover默认四字节对齐。
stNetFrameBuffer定义：

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// 考虑包大小，不考虑字节对齐性能 #pragmapack(1) // 消息基类 structstNetEvent {
   TCGubyte byEventFlag;
   TCGubyte byEventType;
   TCGuint     unEventSize;
   TCGuint     unOrgSize;
}; structstNetFrameBuffer:publicstNetEvent {
   TCGubyte byData[FRAME_BUFFER_SIZE_EX];
   stNetFrameBuffer()
   {
   }
}; #pragmapack()


TOldCover定义：

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structTOldCover{
 TIntnewPos;
 TIntoldPos;
 TIntlength;
 inlineTOldCover():newPos(0),oldPos(0),length(0){}
};


并且在代码中进行了强转（示例代码）：

diff.pCover     =(TOldCover*)pDiffFrame->byData;

此时的pCover由于stNetFrameBuffer为1字节对齐的原因，其本身是2字节对齐的。

问题修复和测试验证

问题基本定位清楚，是由于不同的字节对齐方式，以及强制转换，导致优化后的代码执行错误。

  •  问题修复：

问题找到之后修复方式很简单，保证两处结构体使用相同的字节对齐方式即可，此处改为TOldCover设为1字节对齐。

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#pragma pack(1)
struct TOldCover
{
   TInt newPos;
   TInt oldPos;
   TInt length;
   inline TOldCover():newPos(0),oldPos(0),length(0) { }
};
 #pragma pack()


  • 验证：

对修改后的代码在不同的ndk版本进行–O2编译测试，最终结果是都可以正常运行。NDK r12b -O2下编译后的arm指令如下，没有使用STMIA/LDMIA，符合预期。

后记

字节对齐很重要，强转需谨慎！

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