为什么在 macOS 上使用 clang -O2 编译 C 程序时 "empty" loop 导致总线错误？
Why does "empty" loop cause bus error when compiling C program with clang -O2 on macOS?
我在 macOS High Sierra 上。
$ uname -v
Darwin Kernel Version 17.2.0: Fri Sep 29 18:27:05 PDT 2017; root:xnu-4570.20.62~3/RELEASE_X86_64
我有以下综合程序。
void nop1() {
for (;;);
}
void nop2() {
while (1);
}
void nop3() {
int i = 0;
while(1) {
i++;
}
}
void nop4() {
static int i = 0;
while(1) {
i++;
};
}
int main() {
nop1();
return 0;
}
编辑 2： 我现在已经在下面的示例中使用 clang 进行了显式编译。
当我用 clang -O2 编译和 运行 以下 C 程序时，当 main() 调用 nop1()、nop2()、[=24 时出现总线错误=] 但不适用于 nop4().
$ ./a.out
[1] 93029 bus error (core dumped) ./a.out
在没有 -O2 的情况下编译时所有版本 运行 没有总线错误。我猜优化器将 nop3() 转换为 nop2()。我想了解在每种情况下导致总线错误的原因以及为什么在 nop4() 中使用静态变量不会导致总线错误。
这是我的 clang 版本：
$ clang -v
Apple LLVM version 8.1.0 (clang-802.0.42)
Target: x86_64-apple-darwin17.2.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin
我还在 Linux 上使用 gcc 进行了测试：
$ uname -a
Linux trygger 4.4.0-112-generic #135-Ubuntu SMP Fri Jan 19 11:48:36 UTC 2018 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
，程序 运行 适用于所有 nop 函数，无论有没有 -O2。
这是我在 Linux 上的 gcc 版本。
$ gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.6' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-5/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-5 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo --with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar --enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 5.4.0 20160609 (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.6)
编辑 4
也许 otool 的输出更容易分析。首先是 -O2.
$ clang -O2 segfault.c
$ otool -vt a.out
a.out:
(__TEXT,__text) section
_nop1:
0000000100000f30 pushq %rbp
0000000100000f31 movq %rsp, %rbp
0000000100000f34 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000f40 jmp 0x100000f40
0000000100000f42 nopw %cs:(%rax,%rax)
_nop2:
0000000100000f50 pushq %rbp
0000000100000f51 movq %rsp, %rbp
0000000100000f54 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000f60 jmp 0x100000f60
0000000100000f62 nopw %cs:(%rax,%rax)
_nop3:
0000000100000f70 pushq %rbp
0000000100000f71 movq %rsp, %rbp
0000000100000f74 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000f80 jmp 0x100000f80
0000000100000f82 nopw %cs:(%rax,%rax)
_nop4:
0000000100000f90 pushq %rbp
0000000100000f91 movq %rsp, %rbp
0000000100000f94 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000fa0 jmp 0x100000fa0
0000000100000fa2 nopw %cs:(%rax,%rax)
_main:
0000000100000fb0 pushq %rbp
0000000100000fb1 movq %rsp, %rbp
没有-O2。
$ clang segfault.c
$ otool -vt a.out
a.out:
(__TEXT,__text) section
_nop1:
0000000100000f30 pushq %rbp
0000000100000f31 movq %rsp, %rbp
0000000100000f34 jmp 0x100000f39
0000000100000f39 jmp 0x100000f39
0000000100000f3e nop
_nop2:
0000000100000f40 pushq %rbp
0000000100000f41 movq %rsp, %rbp
0000000100000f44 jmp 0x100000f49
0000000100000f49 jmp 0x100000f49
0000000100000f4e nop
_nop3:
0000000100000f50 pushq %rbp
0000000100000f51 movq %rsp, %rbp
0000000100000f54 movl [=18=]x0, -0x4(%rbp)
0000000100000f5b movl -0x4(%rbp), %eax
0000000100000f5e addl [=18=]x1, %eax
0000000100000f61 movl %eax, -0x4(%rbp)
0000000100000f64 jmp 0x100000f5b
0000000100000f69 nopl (%rax)
_nop4:
0000000100000f70 pushq %rbp
0000000100000f71 movq %rsp, %rbp
0000000100000f74 jmp 0x100000f79
0000000100000f79 movl 0x81(%rip), %eax
0000000100000f7f addl [=18=]x1, %eax
0000000100000f82 movl %eax, 0x78(%rip)
0000000100000f88 jmp 0x100000f79
0000000100000f8d nopl (%rax)
_main:
0000000100000f90 pushq %rbp
0000000100000f91 movq %rsp, %rbp
0000000100000f94 subq [=18=]x10, %rsp
0000000100000f98 movl [=18=]x0, -0x4(%rbp)
0000000100000f9f callq 0x100000f40
0000000100000fa4 xorl %eax, %eax
0000000100000fa6 addq [=18=]x10, %rsp
0000000100000faa popq %rbp
0000000100000fab retq
编辑 3
应@Olaf 的要求，我添加了由 clang -S 生成的程序集。
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.macosx_version_min 10, 12
.globl _nop1
.p2align 4, 0x90
_nop1: ## @nop1
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp0:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp2:
.cfi_def_cfa_register %rbp
jmp LBB0_1
LBB0_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
jmp LBB0_1
.cfi_endproc
.globl _nop2
.p2align 4, 0x90
_nop2: ## @nop2
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp3:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp4:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp5:
.cfi_def_cfa_register %rbp
jmp LBB1_1
LBB1_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
jmp LBB1_1
.cfi_endproc
.globl _nop3
.p2align 4, 0x90
_nop3: ## @nop3
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp6:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp7:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp8:
.cfi_def_cfa_register %rbp
movl [=19=], -4(%rbp)
LBB2_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
movl -4(%rbp), %eax
addl , %eax
movl %eax, -4(%rbp)
jmp LBB2_1
.cfi_endproc
.globl _nop4
.p2align 4, 0x90
_nop4: ## @nop4
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp9:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp10:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp11:
.cfi_def_cfa_register %rbp
jmp LBB3_1
LBB3_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
movl _nop4.i(%rip), %eax
addl , %eax
movl %eax, _nop4.i(%rip)
jmp LBB3_1
.cfi_endproc
.globl _main
.p2align 4, 0x90
_main: ## @main
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp12:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp13:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp14:
.cfi_def_cfa_register %rbp
subq , %rsp
movl [=19=], -4(%rbp)
callq _nop1
xorl %eax, %eax
addq , %rsp
popq %rbp
retq
.cfi_endproc
.zerofill __DATA,__bss,_nop4.i,4,2 ## @nop4.i
.subsections_via_symbols
看起来 clang 生成了函数的序言，没有别的，让执行落到另一个不相关的代码位。在我的机器上，它产生：
0000000100000fa0 <_main>:
100000fa0: 55 push rbp
100000fa1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
Disassembly of section __TEXT.__unwind_info:
0000000100000fa4 <__TEXT.__unwind_info>:
100000fa4: 01 00 add DWORD PTR [rax],eax
100000fa6: 00 00 add BYTE PTR [rax],al
100000fa8: 1c 00 sbb al,0x0
100000faa: 00 00 add BYTE PTR [rax],al
100000fac: 00 00 add BYTE PTR [rax],al
总线错误是由第一个add指令引起的，因为rax指向_main，它试图写入只读内存。
有趣的是，将 __asm__ volatile("nop\n"); 作为 nop1 中的第一行给出了正确的行为。
这是 LLVM 中的一个已知错误。您看到的行为对 C++ 有效，但对 C 无效。
查看 2006 年的错误报告 #965 here。
最近，由于生锈，这个问题又出现了being hit by this。
有一个补丁 here，已于 2017 年 11 月合并，但我不知道它将在哪个版本中发布。
另请参阅邮件列表中的讨论 here。
我在 macOS High Sierra 上。
$ uname -v
Darwin Kernel Version 17.2.0: Fri Sep 29 18:27:05 PDT 2017; root:xnu-4570.20.62~3/RELEASE_X86_64
我有以下综合程序。
void nop1() {
for (;;);
}
void nop2() {
while (1);
}
void nop3() {
int i = 0;
while(1) {
i++;
}
}
void nop4() {
static int i = 0;
while(1) {
i++;
};
}
int main() {
nop1();
return 0;
}
编辑 2： 我现在已经在下面的示例中使用 clang 进行了显式编译。
当我用 clang -O2 编译和 运行 以下 C 程序时，当 main() 调用 nop1()、nop2()、[=24 时出现总线错误=] 但不适用于 nop4().
$ ./a.out
[1] 93029 bus error (core dumped) ./a.out
在没有 -O2 的情况下编译时所有版本 运行 没有总线错误。我猜优化器将 nop3() 转换为 nop2()。我想了解在每种情况下导致总线错误的原因以及为什么在 nop4() 中使用静态变量不会导致总线错误。
这是我的 clang 版本：
$ clang -v
Apple LLVM version 8.1.0 (clang-802.0.42)
Target: x86_64-apple-darwin17.2.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin
我还在 Linux 上使用 gcc 进行了测试：
$ uname -a
Linux trygger 4.4.0-112-generic #135-Ubuntu SMP Fri Jan 19 11:48:36 UTC 2018 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
，程序 运行 适用于所有 nop 函数，无论有没有 -O2。
这是我在 Linux 上的 gcc 版本。
$ gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.6' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-5/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-5 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo --with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar --enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 5.4.0 20160609 (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.6)
编辑 4
也许 otool 的输出更容易分析。首先是 -O2.
$ clang -O2 segfault.c
$ otool -vt a.out
a.out:
(__TEXT,__text) section
_nop1:
0000000100000f30 pushq %rbp
0000000100000f31 movq %rsp, %rbp
0000000100000f34 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000f40 jmp 0x100000f40
0000000100000f42 nopw %cs:(%rax,%rax)
_nop2:
0000000100000f50 pushq %rbp
0000000100000f51 movq %rsp, %rbp
0000000100000f54 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000f60 jmp 0x100000f60
0000000100000f62 nopw %cs:(%rax,%rax)
_nop3:
0000000100000f70 pushq %rbp
0000000100000f71 movq %rsp, %rbp
0000000100000f74 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000f80 jmp 0x100000f80
0000000100000f82 nopw %cs:(%rax,%rax)
_nop4:
0000000100000f90 pushq %rbp
0000000100000f91 movq %rsp, %rbp
0000000100000f94 nopw %cs:(%rax,%rax)
0000000100000fa0 jmp 0x100000fa0
0000000100000fa2 nopw %cs:(%rax,%rax)
_main:
0000000100000fb0 pushq %rbp
0000000100000fb1 movq %rsp, %rbp
没有-O2。
$ clang segfault.c
$ otool -vt a.out
a.out:
(__TEXT,__text) section
_nop1:
0000000100000f30 pushq %rbp
0000000100000f31 movq %rsp, %rbp
0000000100000f34 jmp 0x100000f39
0000000100000f39 jmp 0x100000f39
0000000100000f3e nop
_nop2:
0000000100000f40 pushq %rbp
0000000100000f41 movq %rsp, %rbp
0000000100000f44 jmp 0x100000f49
0000000100000f49 jmp 0x100000f49
0000000100000f4e nop
_nop3:
0000000100000f50 pushq %rbp
0000000100000f51 movq %rsp, %rbp
0000000100000f54 movl [=18=]x0, -0x4(%rbp)
0000000100000f5b movl -0x4(%rbp), %eax
0000000100000f5e addl [=18=]x1, %eax
0000000100000f61 movl %eax, -0x4(%rbp)
0000000100000f64 jmp 0x100000f5b
0000000100000f69 nopl (%rax)
_nop4:
0000000100000f70 pushq %rbp
0000000100000f71 movq %rsp, %rbp
0000000100000f74 jmp 0x100000f79
0000000100000f79 movl 0x81(%rip), %eax
0000000100000f7f addl [=18=]x1, %eax
0000000100000f82 movl %eax, 0x78(%rip)
0000000100000f88 jmp 0x100000f79
0000000100000f8d nopl (%rax)
_main:
0000000100000f90 pushq %rbp
0000000100000f91 movq %rsp, %rbp
0000000100000f94 subq [=18=]x10, %rsp
0000000100000f98 movl [=18=]x0, -0x4(%rbp)
0000000100000f9f callq 0x100000f40
0000000100000fa4 xorl %eax, %eax
0000000100000fa6 addq [=18=]x10, %rsp
0000000100000faa popq %rbp
0000000100000fab retq
编辑 3
应@Olaf 的要求，我添加了由 clang -S 生成的程序集。
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.macosx_version_min 10, 12
.globl _nop1
.p2align 4, 0x90
_nop1: ## @nop1
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp0:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp2:
.cfi_def_cfa_register %rbp
jmp LBB0_1
LBB0_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
jmp LBB0_1
.cfi_endproc
.globl _nop2
.p2align 4, 0x90
_nop2: ## @nop2
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp3:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp4:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp5:
.cfi_def_cfa_register %rbp
jmp LBB1_1
LBB1_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
jmp LBB1_1
.cfi_endproc
.globl _nop3
.p2align 4, 0x90
_nop3: ## @nop3
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp6:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp7:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp8:
.cfi_def_cfa_register %rbp
movl [=19=], -4(%rbp)
LBB2_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
movl -4(%rbp), %eax
addl , %eax
movl %eax, -4(%rbp)
jmp LBB2_1
.cfi_endproc
.globl _nop4
.p2align 4, 0x90
_nop4: ## @nop4
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp9:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp10:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp11:
.cfi_def_cfa_register %rbp
jmp LBB3_1
LBB3_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
movl _nop4.i(%rip), %eax
addl , %eax
movl %eax, _nop4.i(%rip)
jmp LBB3_1
.cfi_endproc
.globl _main
.p2align 4, 0x90
_main: ## @main
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq %rbp
Ltmp12:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp13:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
Ltmp14:
.cfi_def_cfa_register %rbp
subq , %rsp
movl [=19=], -4(%rbp)
callq _nop1
xorl %eax, %eax
addq , %rsp
popq %rbp
retq
.cfi_endproc
.zerofill __DATA,__bss,_nop4.i,4,2 ## @nop4.i
.subsections_via_symbols
看起来 clang 生成了函数的序言，没有别的，让执行落到另一个不相关的代码位。在我的机器上，它产生：
0000000100000fa0 <_main>:
100000fa0: 55 push rbp
100000fa1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
Disassembly of section __TEXT.__unwind_info:
0000000100000fa4 <__TEXT.__unwind_info>:
100000fa4: 01 00 add DWORD PTR [rax],eax
100000fa6: 00 00 add BYTE PTR [rax],al
100000fa8: 1c 00 sbb al,0x0
100000faa: 00 00 add BYTE PTR [rax],al
100000fac: 00 00 add BYTE PTR [rax],al
总线错误是由第一个add指令引起的，因为rax指向_main，它试图写入只读内存。
有趣的是，将 __asm__ volatile("nop\n"); 作为 nop1 中的第一行给出了正确的行为。
这是 LLVM 中的一个已知错误。您看到的行为对 C++ 有效，但对 C 无效。
查看 2006 年的错误报告 #965 here。
最近，由于生锈，这个问题又出现了being hit by this。
有一个补丁 here，已于 2017 年 11 月合并，但我不知道它将在哪个版本中发布。
另请参阅邮件列表中的讨论 here。