__int128 的安全使用
最近寫了一段程式，發現在大壓力下會隨機 crash，訊號為 SEGV，gdb 檢視從出錯程式碼是 __int128 的一次訪問，彙編顯示出錯指令為
vmovdqa
。程式使用 gcc 7 編譯，重要的編譯引數是：
-O2 -march=sandybridge
。第一眼看到這條彙編，就可以猜到是非對齊記憶體訪問問題。下面從最小的 POC 程式碼來分析此問題出現的原因。
POC 分析
POC 程式碼如下：
struct B {
__int128 c；
uint64_t d；
}；
struct A {
char a；
// struct B b；
char b［0］；
}；
int main（） {
A* a = （A*）malloc（sizeof（struct A） + sizeof（B））；
struct B* b = （struct B*）a->b；
__int128 bb；
b->c = bb；
asm volatile（“” ： “+m，r”（b->c） ： ： “memory”）；
return 0；
}
這裡選擇 3 種不同的編譯選項，我們來看一下生成的彙編指令。
編譯選項選擇空，也就是預設
-O0
，程式不會 crash，
b->c = bb；
對應的彙編為： mov QWORD PTR ［rcx］， rax
mov QWORD PTR ［rcx+8］， rdx
編譯選項選擇
-O2
，程式會 crash，
b->c = bb；
對應的彙編為
movaps XMMWORD PTR ［rax+1］， xmm0
編譯選項選擇
-O2 -march=sandybridge
，程式會 crash，
b->c = bb；
對應的彙編為
vmovdqa XMMWORD PTR ［rax+1］， xmm0
MOVAPS & VMOVDQA
這兩條指令，支援 128 bit 的操作，同時要求 16B 地址對齊，如果違反對齊規則，就會觸發 SEGV。
MOVAPS — Move Aligned Packed Single-Precision Floating-Point Values
Opcode/Instruction Op/En 64/32 bit Mode Support CPUID Feature Flag Description
NP 0F 28 /r MOVAPS xmm1， xmm2/m128 A V/V SSE Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm2/mem to xmm1。
NP 0F 29 /r MOVAPS xmm2/m128， xmm1 B V/V SSE Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm1 to xmm2/mem。
VEX。128。0F。WIG 28 /r VMOVAPS xmm1， xmm2/m128 A V/V AVX Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm2/mem to xmm1。
VEX。128。0F。WIG 29 /r VMOVAPS xmm2/m128， xmm1 B V/V AVX Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm1 to xmm2/mem。
VEX。256。0F。WIG 28 /r VMOVAPS ymm1， ymm2/m256 A V/V AVX Move aligned packed single-precision floating-point values from ymm2/mem to ymm1。
MOVDQA，VMOVDQA32/64—Move Aligned Packed Integer Values
Opcode/Instruction Op/En 64/32 bit Mode Support CPUID Feature Flag Description
NP 0F 28 /r MOVAPS xmm1， xmm2/m128 A V/V SSE Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm2/mem to xmm1。
NP 0F 29 /r MOVAPS xmm2/m128， xmm1 B V/V SSE Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm1 to xmm2/mem。
VEX。128。0F。WIG 28 /r VMOVAPS xmm1， xmm2/m128 A V/V AVX Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm2/mem to xmm1。
VEX。128。0F。WIG 29 /r VMOVAPS xmm2/m128， xmm1 B V/V AVX Move aligned packed single-precision floating-point values from xmm1 to xmm2/mem。
VEX。256。0F。WIG 28 /r VMOVAPS ymm1， ymm2/m256 A V/V AVX Move aligned packed single-precision floating-point values from ymm2/mem to ymm1。
可以看到，
movaps
是 SSE 指令，
vmovdqa
至少是 AVX 指令。
對於 GCC 來說，在
x86-64
下，預設 march 是
x86-64
，具有最好的相容性，其支援 SSE 指令。可以透過
gcc -Q ——help=target | grep —— ‘-march=’
來檢視 GCC 預設 march 屬性。
對於
Sandy Bridge
架構，至少支援
AVX
，
XSAVE
等指令。
所以，我們可以看到，編譯選項開了
-march=sandybridge
之後，使用上了 AVX 指令。
同時，如果不開編譯器最佳化，那麼使用 mov 指令來完成 4 位元組的搬遷，開啟 O2 最佳化，會使用對應的 SSE 或者 AVX 指令來最佳化 mov 操作。
結構體記憶體佈局
在 POC 程式碼中，結構體的記憶體佈局如下：
image。png
alignof（A） = 1
， 那麼
struct B
的起始地址一定不是 16B 對齊的，接下來使用 SSE 或者 AVX 指令訪問 B 的第一個成員一定會 crash。
如果程式碼如下：
struct B {
__int128 c；
uint64_t d；
}；
struct A {
char a；
struct B b；
}；
此時就不會 crash，此時的記憶體佈局如下：
image。png
在 x86-64 體系結構下，malloc/new 預設返回的地址是 16B 對齊的，因為
alignof（max_align_t） == 16
。
資料結構本身也有對齊的要求，這裡
alignof（A） = alignof（B） = 16
，因為型別的最低對齊長度是由最長的基本資料單元的長度決定的。
總結
我們這裡，
struct B
並不是直接 malloc 出來的，而是嵌在另外一個數據結構後面，如果前面的資料結構沒有感知到 16B 的對齊，那麼 struct B 的起始地址就會造成非 16B 對齊。這是導致此次 crash 的關鍵所在。
__int128 在搭配記憶體池使用，像 POC 程式碼一樣，稍有不慎就會違反訪問規則，觸發 SEGV。
感興趣的可以在 godbolt 上試試：
https：//
godbolt。org/z/Pnnv3Yfvd
參考
https：//
hjlebbink。github。io/x86
doc/html/MOVDQA，VMOVDQA32_64。html
https：//www。
felixcloutier。com/x86/m
ovaps