Question

我们的团队目前正在使用从旧架构到基于ARM Cortex M3平台的新产品的一些移植代码，使用定制版本的GCC 4.5.1。我们正在从通信链接读取数据，并尝试将原始字节数组转换为结构以干净地解析数据。在将指针强制转换为结构并取消引用之后，我们收到一条警告：“取消引用类型惩罚指针将破坏严格别名规则”。

经过一些研究，我意识到由于char数组没有对齐规则，并且结构必须是字对齐的，因此转换指针会导致未定义的行为（糟糕的事情）。我想知道是否有更好的方法来做我们正在尝试的事情。

我知道我们可以使用GCC的“属性（（aligned（4）））”明确地对齐char数组。我相信这将使我们的代码“更安全”，但警告仍然会使我们的构建变得混乱，并且我不想在出现这种情况时禁用警告。我们想要的是一种安全地做我们正在尝试的方法，如果我们稍后尝试在另一个地方做一些不安全的事情，它仍会告诉我们。由于这是一个嵌入式系统，RAM的使用和闪存使用在某种程度上很重要。

可移植性（编译器和体系结构）不是一个大问题，这仅适用于一种产品。但是，如果存在便携式解决方案，则首选。

以下是我们目前正在做的一个（非常简化的）示例：

#define MESSAGE_TYPE_A 0
#define MESSAGE_TYPE_B 1

typedef struct MessageA __attribute__((__packed__))
{
    unsigned char  messageType;
    unsigned short data1;
    unsigned int   data2;
}

typedef struct MessageB __attribute__((__packed__))
{
    unsigned char  messageType;
    unsigned char  data3;
    unsigned char  data4;
}


// This gets filled by the comm system, assume from a UART interrupt or similar
unsigned char data[100];


// Assume this gets called once we receive a full message
void ProcessMessage()
{
    MessageA* messageA;
    unsigned char messageType = data[0];

    if (messageType == MESSAGE_TYPE_A)
    {
        // Cast data to struct and attempt to read
        messageA = (MessageA*)data; // Not safe since data may not be word aligned
                                    // This may cause undefined behavior

        if (messageA->data1 == 4) // warning would be here, when we use the data at the pointer
        {
            // Perform some action...
        }
    }
    // ...
    // process different types of messages
}

Answer 1

正如已经指出的那样，铸造指针是一种狡猾的做法。

解决方案：使用联合

struct message {
  unsigned char messageType;
  union {
    struct {
      int data1;
      short data2;
    } A;
    struct {
      char data1[5];
      int data2;
    } B;
  } data;
};

void func (...) {
  struct message msg;
  getMessage (&msg);

  switch (msg.messageType) {
    case TYPEA:
      doStuff (msg.data.A.data1);
      break;
    case TYPEB:
      doOtherStuff (msg.data.B.data1);
      break;
  }
}

通过这种方式，编译器知道您通过不同方式访问相同的数据，警告和坏事将消失。

对于coure，您需要确保结构对齐和包装符合您的消息格式。如果链接另一端的机器不匹配，请注意字节序问题。

Answer 2

通过不同于char *的类型转换或者指向char的有符号/无符号变体的指针来输入惩罚并不严格符合，因为它违反了C别名规则（如果不小心，有时会对齐规则给出）。

但是，gcc允许通过联合类型进行类型惩罚。 gcc的手册页明确记录了它：

从不同的工会成员阅读的做法比最近写的那个（称为“打字式”）很常见。即使 -fstrict-aliasing，允许类型 - 双关语，前提是通过联合类型访问内存。

要使用gcc禁用与别名规则相关的优化（从而允许程序中断C别名规则），可以使用-fno-strict-aliasing编译程序。请注意，启用此选项后，程序不再严格符合要求，但您说可移植性不是问题。有关信息，使用此选项编译Linux内核。

Answer 3

停止使用压缩结构和memcpy个别字段为正确大小和类型的变量。这是一种安全，便携，干净的方式来完成您想要实现的目标。如果你很幸运，gcc会将微小的固定大小memcpy优化为一些简单的加载和存储指令。

Answer 4

GCC有一个-fno-strict-aliasing标志，可以禁用基于严格别名的优化，并使您的代码安全。

如果您真的在寻找一种“修复”它的方法，那么您必须重新考虑代码的工作方式。您不能只按照您尝试的方式覆盖结构，因此您需要执行以下操作：

MessageA messageA;
messageA.messageType = data[0];
// Watch out - endianness and `sizeof(short)` dependent!
messageA.data1 = (data[1] << 8) + data[2];
// Watch out - endianness and `sizeof(int)` dependent!
messageA.data2 = (data[3] << 24) + (data[4] << 16)
               + (data[5] <<  8) + data[6];

此方法可以避免打包您的结构，这也可能会改善代码中其他地方的性能特征。交替：

MessageA messageA;
memcpy(&messageA, data, sizeof messageA);

将使用您的包装结构。如果需要，您可以执行相反的操作将结构转换回平缓冲区。

Answer 5

Cortex M3可以很好地处理未对齐的访问。我在M3的类似数据包处理系统中完成了这项工作。你不需要做任何事情，只需使用标志-fno-strict-aliasing来消除警告。

Answer 6

对于未对齐的访问，请查看linux宏get_unaligned / put_unaligned。

如何在嵌入式系统中安全地执行类型惩罚

6 个答案: