c - 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 GCC 4.5.1 的自定义版本，将旧架构的一些移植代码用于基于 ARM Cortex M3 平台的新产品。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清晰地解析数据。将指针转换为结构并取消引用后，我们收到警告:“取消引用类型双关指针将违反严格的别名规则”。

经过一些研究后，我意识到由于 char 数组没有对齐规则并且结构必须按字对齐，所以强制转换指针会导致未定义的行为(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)))”显式地字对齐 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困惑，我不想禁用警告以防再次出现这种情况。我们想要的是一种安全地做我们正在尝试的事情的方法，如果我们稍后试图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)不是一个大问题，这只是针对一个产品。但是，如果存在可移植解决方案，那将是首选。

这是我们目前正在做的一个(非常简单的)例子:

#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，转换指针是一种狡猾的做法。

解决方案:使用 union

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 Bad Things 将消失。

当然，您需要确保结构对齐和打包与您的消息格式相匹配。当心字节序问题，例如链接另一端的机器不匹配。