如何在嵌入式系统中安全地执行类型双关

Question

我们的团队目前正在使用一些从旧架构移植到基于 ARM Cortex M3 平台的新产品（使用 GCC 4.5.1 定制版本）的代码。我们正在从通信链路读取数据，并尝试将原始字节数组转换为结构以干净地解析数据。将指针转换为结构体并取消引用后，我们收到一条警告：“取消引用类型双关指针将违反严格别名规则”。

经过一些研究，我意识到，由于 char 数组没有对齐规则，并且结构必须进行字对齐，因此强制转换指针会导致未定义的行为（一件坏事）。我想知道是否有更好的方法来完成我们正在尝试的事情。

我知道我们可以使用 GCC 的“attribute ((aligned (4)))”显式地对 char 数组进行字对齐。我相信这将使我们的代码“更安全”，但警告仍然会扰乱我们的构建，并且我不想禁用警告，以防这种情况再次出现。我们想要的是一种安全地做我们正在尝试的事情的方法，如果我们稍后尝试在另一个地方做一些不安全的事情，它仍然会通知我们。由于这是一个嵌入式系统，RAM 使用和闪存使用在某种程度上很重要。

可移植性（编译器和架构）并不是一个大问题，这只是针对一个产品。但是，如果存在便携式解决方案，那么它将是首选。

这是我们当前正在做的一个（非常简单的）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，四处投掷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，编译器知道您正在通过不同的方式访问相同的数据，并且警告和坏事将会消失。

当然，您需要确保结构对齐和打包与您的消息格式相匹配。如果链接另一端的机器不匹配，请注意字节序问题等。

Answer 2

通过与 char * 不同的类型或指向 char 有符号/无符号变体的指针进行类型双关并不严格符合要求，因为它违反了 C 别名规则（有时还违反了对齐规则）如果不给予照顾）。

但是，gcc 允许通过联合类型进行类型双关。 gcc 的联机帮助页明确记录了它：

从与最近写入的成员不同的联盟成员那里读取内容的做法（称为“类型双关”）很常见。即使与
-fstrict-aliasing，允许类型双关，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（从而允许程序打破 C 别名规则），可以使用以下命令编译程序：-fno-strict-aliasing。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，Linux 内核是使用此选项编译的。

Answer 3

GCC 有一个 -fno-strict-aliasing 标志，它将禁用基于严格别名的优化并确保您的代码安全。

如果您确实正在寻找一种“修复”它的方法，则必须重新考虑代码的工作方式。您不能只是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];

此方法将使您避免打包结构，这也可能会提高代码中其他位置的性能特征。或者：

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

将使用您的打包结构来完成此操作。如果需要，您可以执行相反的操作将结构转换回平面缓冲区。

Answer 4

停止使用打包结构，并将各个字段 memcpy 转换为正确大小和类型的变量。这是实现您想要实现的目标的安全、便携、干净的方式。如果幸运的话，gcc 会将微小的固定大小的 memcpy 优化为一些简单的加载和存储指令。

Answer 5

Cortex M3 可以很好地处理未对齐的访问。我已经在 M3 的类似数据包处理系统中完成了此操作。您不需要执行任何操作，只需使用标志 -fno-strict-aliasing 即可消除警告。

Answer 6

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