MOVDQA与MOVDQU指令实验分析及技术疑问问询（x86/x64）

参考链接 #

• MOVDQU指令与页边界问题
• MOVUPD vs MOVDQU（x86/x64汇编）
• MOVDQA与MOVAPS x86指令的区别
• 汇编"movdqa"访问违例
• x86指令集文档：MOVDQA条目
• x86指令集文档：MOVDQU条目

实验详情 #

以下实验基于64位Linux环境下的C++项目，探究MOVDQA与MOVDQU加载数据至XMM寄存器的特性：

初始化1 #

// Initialization 1
std::string_view lhs{"Once upon a time in Germany"}; // length = 27
std::string_view rhs = lhs.substr(20, 7);            // RHS points to "germany"

实验1.1

# Experiment 1.1
# Here: %rax = lhs, %rsi = rhs
movdqa (%rax), %xmm11           // SIGSEGV in this line, although it has enough memory allocations
movdqa (%rsi), %xmm12

实验1.2

# Experiment 1.2
# Here: %rax = lhs, %rsi = rhs
movdqu (%rax), %xmm11           // data successfully loaded into register
movdqu (%rsi), %xmm12           // data successfully loaded into register with some garbage

初始化2 #

// Initialization 2
void *lhs = mmap ( NULL, 27*sizeof(unsigned char), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0 );
void *rhs = lhs + 20;

实验2.1

# Experiment 2.1
# Here: %rax = lhs, %rsi = rhs
movdqa (%rax), %xmm11           // data successfully loaded into register
movdqa (%rsi), %xmm12           // SIGSEGV in this line... Expected!

实验2.2

# Experiment 2.2
# Here: %rax = lhs, %rsi = rhs
movdqu (%rax), %xmm11           // data successfully loaded into register
movdqu (%rsi), %xmm12           // data successfully loaded into register with some garbage

初始化3 #

// Initialization 3
unsigned char *lhs = new unsigned char[27];
unsigned char *rhs = lhs + 20;

实验3.1

# Experiment 3.1
# Here: %rax = lhs, %rsi = rhs
movdqa (%rax), %xmm11           // data successfully loaded into register
movdqa (%rsi), %xmm12           // SIGSEGV in this line

实验3.2

# Experiment 3.2
# Here: %rax = lhs, %rsi = rhs
movdqu (%rax), %xmm11           // data successfully loaded into register
movdqu (%rsi), %xmm12           // data successfully loaded into register with some garbage

问题解答 #

1. 实验1.1中MOVDQA触发SIGSEGV的原因？ #

std::string_view指向的字符串字面量存储在进程的只读数据段（.rodata）。MOVDQA执行16字节对齐加载时，会尝试读取从lhs起始的连续16字节内存——原字符串长度为27字节，lhs起始的16字节虽包含有效数据，但该字符串字面量的后续内存可能未被分配，或属于只读数据段的无权限区域（比如刚好在页边界末尾，下一页未映射）。当MOVDQA尝试访问这些非法内存时，就会触发SIGSEGV。而MOVDQU支持非对齐加载，即使跨页只要目标页存在就不会触发异常，因此能成功加载（末尾补垃圾数据）。

2. MOVDQU并非绝对安全，哪些场景下会触发SIGSEGV？ #

MOVDQU虽支持非对齐访问，但只要加载操作涉及的任何内存页不存在、无对应访问权限，或地址超出进程地址空间范围，就会触发SIGSEGV，包括：

• 加载的16字节数据中，部分字节位于未映射的内存页
• 目标内存页被标记为PROT_NONE，或当前进程无读/写权限
• 访问的地址超出进程虚拟地址空间的上下限

3. MOVDQA触发SIGSEGV的场景有哪些？ #

MOVDQA要求内存地址必须16字节对齐，且加载的所有内存都合法，触发SIGSEGV的场景包括：

1. 地址未16字节对齐：x86架构中，非对齐的MOVDQA访问会直接触发一般保护异常（#GP），内核转为SIGSEGV
2. 访问的内存页不存在/无权限：即使地址对齐，但加载的16字节跨页时，其中某页未映射、无访问权限，会触发SIGSEGV
3. 越界访问合法页的权限外区域：比如对齐地址的16字节范围中，部分字节属于只读页但程序尝试写入（MOVDQA为加载指令，主要是读权限问题），或超出进程分配的内存范围

4. MOVDQA与MOVDQU的性能对比参考资料？ #

• 官方优化手册：Intel® 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual、AMD Software Optimization Guide明确说明：地址对齐时，MOVDQA和MOVDQU性能几乎无差异；地址非对齐时，MOVDQU的性能略低于对齐的MOVDQA（老CPU差异更明显，Skylake及以后的新CPU中，非对齐访问的性能损耗已大幅降低）。
• 实际测试数据：循环加载对齐内存时，两者吞吐量一致；加载非对齐内存时，MOVDQU的延迟比MOVDQA高1-3个周期（取决于CPU微架构）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者RajibTheKing