使用指向 C/C++ 中未对齐的 memory 地址的指针访问结构是否安全？

Question

struct CustomData
{
    char flag;
    int count;
    double value;
};

CustomData custom_data{};

char *buf = new char[sizeof(CustomData) + 3];
memcpy(buf + 3, &custom_data, sizeof(CustomData));

CustomData* ptr = (CustomData *)(buf + 3);

ptr->count = 10;
ptr->value = 20.0;

我有一个 memory 缓冲区，由一些 header 字节和一个结构组成。 该结构是此 memory 缓冲区的 memcpy。 我必须修改这个嵌入结构中的一些字段，如上所示。

我的问题是：

1. 这是 x86-64 上的安全访问吗？ 其他平台呢？

2. memcpy到本地结构，修改并复制回来肯定可以，但似乎很浪费。 有没有办法检查ptr是否正确对齐以安全访问结构？

Answer 1

Neither the C nor the C++ standards define the behavior of accessing memory without the alignment required for the lvalue type, nor even of converting a pointer to another pointer type when the pointer value does not have the alignment required for the destination type. 问题不在于您的目标架构（x86-64 或其他）是否支持未对齐访问，而在于您的 C 或 C++ 实现，尤其是编译器是否支持它。

查看您的示例代码，我怀疑它是将数据从网络或文件或其他来源复制到缓冲区中的代理，然后尝试将部分数据解释为所需的类型，可能是在检查收到的数据中的 header 之后确定主题数据的类型和/或位置。 如果是这样，你应该描述一下原来的情况，因为你显示的代理代码是不够的。

从网络或文件中以字节形式读取原始数据时，最好将数据直接读取到所需的结构中。 理想情况下，将指定通信协议以根据需要对齐数据，以便一旦将数据接收到对齐的缓冲区中就不需要进一步的操作。 在 C 中，联合可能有助于处理将一种类型的数据混叠为另一种类型的问题。

如果直接进入结构方法失败，则可以使用memcpy ，它可能不会像您想象的那样低效，因为memcpy方法会生成具有明确行为的代码，然后编译器通常可以，只要对相关部分有足够的可见性代码，优化它生成的程序集，以便不会发生实际的memcpy 。

Failing that, some compilers have various extensions to the C and C++ standards that let you define structure types without alignment requirements and to access memory using arbitrary types (supporting aliasing character arrays as other types).

至少在 C 中，动态分配的 memory 可以使用字符类型填充数据，然后按照有关“有效类型”的规则作为另一种类型访问。 但是，必须遵循有关别名的某些规则，这不能访问不正确对齐的数据（不使用上述扩展）。

Answer 2

任何指针双关都是危险的，因为它可能违反严格的别名规则。

您需要使用memcpy 。 大多数优化编译器都非常了解memcpy并且通常不会发出对memcpy的实际调用：

typedef struct CustomData
{
    char flag;
    int count;
    double value;
}CustomData;


CustomData *foo(int val, double d)
{
    char *buf = new char[sizeof(CustomData) + 3];

    CustomData cd;

    cd.count = val;
    cd.value = d;

    memcpy(buf + 3, &cd, sizeof(cd));
    return (CustomData *)buf;
}

foo(int, double):
        push    rbp
        mov     ebp, edi
        mov     edi, 19
        push    rbx
        sal     rbp, 32
        movq    rbx, xmm0
        sub     rsp, 8
        call    operator new[](unsigned long)
        mov     QWORD PTR [rax+3], rbp
        mov     QWORD PTR [rax+11], rbx
        add     rsp, 8
        pop     rbx
        pop     rbp
        ret

Answer 3

有些操作系统有 memory alignment 要求，如果我没记错的话，Solaris 要求 memory 在 8 字节边界上对齐。 如果不满足此要求，操作系统将抛出错误