为__m256i分配内存

Question

我遇到了一个神秘的分段错误。

#include <stdio.h>
#include <immintrin.h>
struct Box{
    __m256i L;
};
int main()
{
    struct Box *result=NULL;
    result=(struct Box *)malloc(sizeof(struct Box));
    (*result).L=(*result).L;
}

使用标志 -msse4.2 -march=corei7-avx 进行编译。

在我的Mac上（OS X EI Caption 10.11.6，GCC 4.8.4）可以完全正常运行。 但是在Amazon EC2机器上（Ubuntu 14.04，GCC 4.8.4），会出现Segmentation fault。

当我进行轻微更改：

#include <stdio.h>
#include <immintrin.h>
struct Box{
    __m256i L;
};
int main()
{
    struct Box result[1];
    (*result).L=(*result).L;
}

它将能够在Ubuntu机器上运行。

有人能解释一下吗？

- Ruiyu Zhu

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malloc不能保证分配的内存是32字节对齐的。 - Peter Cordes

Answer 1

对齐、Malloc行为和堆栈分配

@Peter Cordes的评论解决了部分问题。

具体而言，在你的OSX机器上，你总是能够获得正确对齐的内存，这符合生成用于__m256i数据类型的汇编所需的对齐方式，该类型需要32字节对齐。(我用引号括起来的“总是”是因为这并不能用malloc保证。你可能只是在OSX的malloc中运气好。同一程序的多次运行往往会获得相同的对齐方式，而不像在一个程序中重复调用malloc。实际上，参见下文：OS X上的编译器生成不同的asm)

在Ubuntu上，malloc返回的内存地址没有适当的对齐方式。(有关原因详见下文)

你把第二段代码片段称作slight change。

int main()
{
    struct Box result[1];
    (*result).L=(*result).L;
}

这段代码与使用malloc的第一个片段实际上有很大的不同，因为编译器（在此处为gcc）在在堆栈上分配内存时意识到了数据类型Box（以及其扩展的__m256i）的对齐要求。因此，在这种情况下没有崩溃的风险，因为编译器提供正确的对齐方式。

你可以像这篇帖子中所解释的那样操纵malloc返回的基指针https://dev59.com/pHVC5IYBdhLWcg3wpSzf#227900。我让您查看详细信息，但简单来说，您可以执行以下操作：

struct Box *result=NULL;
void *mem = malloc(2 * sizeof(struct Box));
result = (struct Box *)((uintptr_t)mem + offset);

其中，offset 可以让你探究对齐和段错误。你可以打印出你用于 result 的指针地址，例如：printf("0x%08" PRIXPTR "\n", (uintptr_t)result);（同样来自该帖子）。

指令差异

最后，在 Ubuntu 和 OSX 上都可以重现此问题。我实际上看到我的 OSX 的 malloc 调用给出了 16 字节 对齐而不是 32 字节对齐。我在 Ubuntu（在同一硬件上的 VM 中）上也看到了 16 字节对齐，这是导致段错误的原因。当我手动对齐到 32 字节时，段错误消失了。

因此，你的问题的根本原因在于系统没有生成相同的汇编指令。我使用 gcc 的 -S 选项得到了汇编代码。在 OSX 上，我看到了使用 XMM 操作数的 vmovaps 4 次，而在 Ubuntu 上则使用 YMM 操作数两次的 vmovdqa 来移动一个 __m256i。

vmovdqa 和 vmovaps 要求它们的内存操作数是自然对齐的（即 YMM 为 32B，XMM 为 16B）。因此，在 OSX 上生成的汇编只需要 16 字节对齐，尽管 __m256i 是 32 字节。

- Phil

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我非常确定这段代码在我的Mac上始终能够正常运行。看起来这与你的理论相矛盾。根据你的理论，它也应该会产生Segfault，因为它只提供了16字节对齐而不是32字节对齐。 - Ruiyu Zhu

这比那更加复杂。正如我在“指令差异”部分中所解释的那样，即使 C 数据类型 __m256i 需要 32 字节对齐，但您的 OSX 上的 gcc 生成的汇编指令只需要 16 字节 对齐。这就是为什么它在您的 Mac 上工作 - 生成的二进制文件只需要 16 字节对齐，而不是 32 字节对齐。Ubuntu 构建生成需要 32 字节对齐的指令。 - Phil

那解释了一切。谢谢！ - Ruiyu Zhu