std :: condition_variable的内存位置可能导致futex错误

Question

我们在软件中存在一个以可怕的代码结束的错误：

futex工具返回了意外的错误代码。

我们将其追溯到一个问题，其中std :: condition_variable在内存分配区域内的位置会导致futex错误。如果std :: condition_variable未与16字节字对齐-当您尝试wait时，它将导致futex错误。在该示例中，前两个wait_for调用起作用，但最后一个调用因futex错误而中止程序。

void futex_error()
{
    /* init */
    std::mutex mtx;

    /* Normal one works  */
    std::cout << "Doing normal" << "\n";
    std::condition_variable* con_var = (std::condition_variable*)malloc(sizeof(std::condition_variable));
    new (con_var) std::condition_variable{};

    {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
        con_var->wait_for(lck, std::chrono::seconds(1));
    }

    /* Clean */
    con_var->std::condition_variable::~condition_variable();
    free(con_var);

    std::cout << "Doing 16 bytes" << "\n";
    /* Works on 16 byte alignment  */
    uint8_t* ptr_16 = (uint8_t*)malloc(sizeof(std::condition_variable) + 16);
    std::condition_variable* con_var_16 = new (ptr_16 + 16) std::condition_variable{};

    {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
        con_var_16->wait_for(lck, std::chrono::seconds(1));
    }

    /* Clean */
    con_var_16->std::condition_variable::~condition_variable();
    free(ptr_16);

    std::cout << "Doing 1 byte" << "\n";
    /* Futex error */
    uint8_t* bad_ptr = (uint8_t*)malloc(sizeof(std::condition_variable) + 1);
    std::condition_variable* bad = new (bad_ptr + 1) std::condition_variable{};

    {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
        bad->wait_for(lck, std::chrono::seconds(1)); //<--- error here?
    }

    /* Clean */
    bad->std::condition_variable::~condition_variable();
    free(con_var);
}

我似乎找不到有关futex错误以及为什么对齐会导致此错误的文档。有谁知道为什么会这样？这是在Linux（Arch和Ubuntu）上，同时使用gcc 9.3。

Answer 1

为什么对齐会导致此问题

来自C++ draft Alignment p1：

对象类型具有对齐要求（[basic.fundamental]，[basic.compound]），这些条件对可以分配该类型的对象的地址施加了限制。

表达式：

new (bad_ptr + 1) std::condition_variable{};

在bad_ptr + 1与alignof(std::condition_variable)不对齐的系统上调用未定义的行为。使用gcc10在godbolt上进行测试，alignof(std::confition_variable)等于8。

bad->两者都是未对齐的访问，并且都是未定义的行为。

有人知道为什么会这样吗？

在执行可执行文件时检查strace输出，我们可以看到：

futex(0x557da3e262e9, FUTEX_WAIT_BITSET_PRIVATE, 0, {tv_sec=2439, tv_nsec=619296657}, FUTEX_BITSET_MATCH_ANY) = -1 EINVAL (Invalid argument)

因为uaddr应作为指向int调用的futex的指针的第一个参数未与_Alignof(int)对齐，所以内核将其检测为here，并且futex返回了EINVAL。然后，标准库将退出应用程序，对于未定义的行为，这是一个非常好的行为。