| Editors note: This document is _heavily_ cribbed from the Linux Kernel, with | 
| really only the section about "Alignment vs. Networking" removed. | 
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| UNALIGNED MEMORY ACCESSES | 
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| Linux runs on a wide variety of architectures which have varying behaviour | 
| when it comes to memory access. This document presents some details about | 
| unaligned accesses, why you need to write code that doesn't cause them, | 
| and how to write such code! | 
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| The definition of an unaligned access | 
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| Unaligned memory accesses occur when you try to read N bytes of data starting | 
| from an address that is not evenly divisible by N (i.e. addr % N != 0). | 
| For example, reading 4 bytes of data from address 0x10004 is fine, but | 
| reading 4 bytes of data from address 0x10005 would be an unaligned memory | 
| access. | 
|   | 
| The above may seem a little vague, as memory access can happen in different | 
| ways. The context here is at the machine code level: certain instructions read | 
| or write a number of bytes to or from memory (e.g. movb, movw, movl in x86 | 
| assembly). As will become clear, it is relatively easy to spot C statements | 
| which will compile to multiple-byte memory access instructions, namely when | 
| dealing with types such as u16, u32 and u64. | 
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| Natural alignment | 
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| The rule mentioned above forms what we refer to as natural alignment: | 
| When accessing N bytes of memory, the base memory address must be evenly | 
| divisible by N, i.e. addr % N == 0. | 
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| When writing code, assume the target architecture has natural alignment | 
| requirements. | 
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| In reality, only a few architectures require natural alignment on all sizes | 
| of memory access. However, we must consider ALL supported architectures; | 
| writing code that satisfies natural alignment requirements is the easiest way | 
| to achieve full portability. | 
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| Why unaligned access is bad | 
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| The effects of performing an unaligned memory access vary from architecture | 
| to architecture. It would be easy to write a whole document on the differences | 
| here; a summary of the common scenarios is presented below: | 
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|  - Some architectures are able to perform unaligned memory accesses | 
|    transparently, but there is usually a significant performance cost. | 
|  - Some architectures raise processor exceptions when unaligned accesses | 
|    happen. The exception handler is able to correct the unaligned access, | 
|    at significant cost to performance. | 
|  - Some architectures raise processor exceptions when unaligned accesses | 
|    happen, but the exceptions do not contain enough information for the | 
|    unaligned access to be corrected. | 
|  - Some architectures are not capable of unaligned memory access, but will | 
|    silently perform a different memory access to the one that was requested, | 
|    resulting in a subtle code bug that is hard to detect! | 
|   | 
| It should be obvious from the above that if your code causes unaligned | 
| memory accesses to happen, your code will not work correctly on certain | 
| platforms and will cause performance problems on others. | 
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| Code that does not cause unaligned access | 
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| At first, the concepts above may seem a little hard to relate to actual | 
| coding practice. After all, you don't have a great deal of control over | 
| memory addresses of certain variables, etc. | 
|   | 
| Fortunately things are not too complex, as in most cases, the compiler | 
| ensures that things will work for you. For example, take the following | 
| structure: | 
|   | 
|     struct foo { | 
|         u16 field1; | 
|         u32 field2; | 
|         u8 field3; | 
|     }; | 
|   | 
| Let us assume that an instance of the above structure resides in memory | 
| starting at address 0x10000. With a basic level of understanding, it would | 
| not be unreasonable to expect that accessing field2 would cause an unaligned | 
| access. You'd be expecting field2 to be located at offset 2 bytes into the | 
| structure, i.e. address 0x10002, but that address is not evenly divisible | 
| by 4 (remember, we're reading a 4 byte value here). | 
|   | 
| Fortunately, the compiler understands the alignment constraints, so in the | 
| above case it would insert 2 bytes of padding in between field1 and field2. | 
| Therefore, for standard structure types you can always rely on the compiler | 
| to pad structures so that accesses to fields are suitably aligned (assuming | 
| you do not cast the field to a type of different length). | 
|   | 
| Similarly, you can also rely on the compiler to align variables and function | 
| parameters to a naturally aligned scheme, based on the size of the type of | 
| the variable. | 
|   | 
| At this point, it should be clear that accessing a single byte (u8 or char) | 
| will never cause an unaligned access, because all memory addresses are evenly | 
| divisible by one. | 
|   | 
| On a related topic, with the above considerations in mind you may observe | 
| that you could reorder the fields in the structure in order to place fields | 
| where padding would otherwise be inserted, and hence reduce the overall | 
| resident memory size of structure instances. The optimal layout of the | 
| above example is: | 
|   | 
|     struct foo { | 
|         u32 field2; | 
|         u16 field1; | 
|         u8 field3; | 
|     }; | 
|   | 
| For a natural alignment scheme, the compiler would only have to add a single | 
| byte of padding at the end of the structure. This padding is added in order | 
| to satisfy alignment constraints for arrays of these structures. | 
|   | 
| Another point worth mentioning is the use of __attribute__((packed)) on a | 
| structure type. This GCC-specific attribute tells the compiler never to | 
| insert any padding within structures, useful when you want to use a C struct | 
| to represent some data that comes in a fixed arrangement 'off the wire'. | 
|   | 
| You might be inclined to believe that usage of this attribute can easily | 
| lead to unaligned accesses when accessing fields that do not satisfy | 
| architectural alignment requirements. However, again, the compiler is aware | 
| of the alignment constraints and will generate extra instructions to perform | 
| the memory access in a way that does not cause unaligned access. Of course, | 
| the extra instructions obviously cause a loss in performance compared to the | 
| non-packed case, so the packed attribute should only be used when avoiding | 
| structure padding is of importance. | 
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| Code that causes unaligned access | 
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|   | 
| With the above in mind, let's move onto a real life example of a function | 
| that can cause an unaligned memory access. The following function taken | 
| from the Linux Kernel's include/linux/etherdevice.h is an optimized routine | 
| to compare two ethernet MAC addresses for equality. | 
|   | 
| bool ether_addr_equal(const u8 *addr1, const u8 *addr2) | 
| { | 
| #ifdef CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS | 
|     u32 fold = ((*(const u32 *)addr1) ^ (*(const u32 *)addr2)) | | 
|            ((*(const u16 *)(addr1 + 4)) ^ (*(const u16 *)(addr2 + 4))); | 
|   | 
|     return fold == 0; | 
| #else | 
|     const u16 *a = (const u16 *)addr1; | 
|     const u16 *b = (const u16 *)addr2; | 
|     return ((a[0] ^ b[0]) | (a[1] ^ b[1]) | (a[2] ^ b[2])) == 0; | 
| #endif | 
| } | 
|   | 
| In the above function, when the hardware has efficient unaligned access | 
| capability, there is no issue with this code.  But when the hardware isn't | 
| able to access memory on arbitrary boundaries, the reference to a[0] causes | 
| 2 bytes (16 bits) to be read from memory starting at address addr1. | 
|   | 
| Think about what would happen if addr1 was an odd address such as 0x10003. | 
| (Hint: it'd be an unaligned access.) | 
|   | 
| Despite the potential unaligned access problems with the above function, it | 
| is included in the kernel anyway but is understood to only work normally on | 
| 16-bit-aligned addresses. It is up to the caller to ensure this alignment or | 
| not use this function at all. This alignment-unsafe function is still useful | 
| as it is a decent optimization for the cases when you can ensure alignment, | 
| which is true almost all of the time in ethernet networking context. | 
|   | 
|   | 
| Here is another example of some code that could cause unaligned accesses: | 
|     void myfunc(u8 *data, u32 value) | 
|     { | 
|         [...] | 
|         *((u32 *) data) = cpu_to_le32(value); | 
|         [...] | 
|     } | 
|   | 
| This code will cause unaligned accesses every time the data parameter points | 
| to an address that is not evenly divisible by 4. | 
|   | 
| In summary, the 2 main scenarios where you may run into unaligned access | 
| problems involve: | 
|  1. Casting variables to types of different lengths | 
|  2. Pointer arithmetic followed by access to at least 2 bytes of data | 
|   | 
|   | 
| Avoiding unaligned accesses | 
| =========================== | 
|   | 
| The easiest way to avoid unaligned access is to use the get_unaligned() and | 
| put_unaligned() macros provided by the <asm/unaligned.h> header file. | 
|   | 
| Going back to an earlier example of code that potentially causes unaligned | 
| access: | 
|   | 
|     void myfunc(u8 *data, u32 value) | 
|     { | 
|         [...] | 
|         *((u32 *) data) = cpu_to_le32(value); | 
|         [...] | 
|     } | 
|   | 
| To avoid the unaligned memory access, you would rewrite it as follows: | 
|   | 
|     void myfunc(u8 *data, u32 value) | 
|     { | 
|         [...] | 
|         value = cpu_to_le32(value); | 
|         put_unaligned(value, (u32 *) data); | 
|         [...] | 
|     } | 
|   | 
| The get_unaligned() macro works similarly. Assuming 'data' is a pointer to | 
| memory and you wish to avoid unaligned access, its usage is as follows: | 
|   | 
|     u32 value = get_unaligned((u32 *) data); | 
|   | 
| These macros work for memory accesses of any length (not just 32 bits as | 
| in the examples above). Be aware that when compared to standard access of | 
| aligned memory, using these macros to access unaligned memory can be costly in | 
| terms of performance. | 
|   | 
| If use of such macros is not convenient, another option is to use memcpy(), | 
| where the source or destination (or both) are of type u8* or unsigned char*. | 
| Due to the byte-wise nature of this operation, unaligned accesses are avoided. | 
|   | 
| -- | 
| In the Linux Kernel, | 
| Authors: Daniel Drake <dsd@gentoo.org>, | 
|          Johannes Berg <johannes@sipsolutions.net> | 
| With help from: Alan Cox, Avuton Olrich, Heikki Orsila, Jan Engelhardt, | 
| Kyle McMartin, Kyle Moffett, Randy Dunlap, Robert Hancock, Uli Kunitz, | 
| Vadim Lobanov |