Data structure alignment by binary operation

在寫C的過程中，我們會很自然地以為，我連續宣告一堆大小不一的char array。

經過Complier之後這些char array未必是連續擺放。至於為什麼就要談到我們今天的主角了alignment

以x86-32bit為例，

他喜歡一次讀取 4 Bytes (i.e. 32 bits)，記憶中可以想成一格一格為 4 Bytes.其indes從 0 ~ 2^32 - 1

我們可以用 printf(sizeof(void *)); 來得知。machine在讀取指令時以多少Bytes為單位。

printf(sizeof(unsigned long));也行。

好讓每次讀取的位置皆為4的倍數，e.g. 0, 4, 8, 12 ...etc.

為了電腦的執行速度，Complier 會幫我們增加一些padding(填充)，好讓每次讀取的位置都能是4的倍數。

實例:

在exploit(http://www.exploit-db.com/exploits/15285/)中

假設 def_ops 指向struct security_operations開頭

先看一下 Kernel source code 

struct security_operations { 
char name[SECURITY_NAME_MAX + 1]; //SECURITY_NAME_MAX 預設10,所以我們知道為何target要+11
int (*ptrace_access_check) (struct task_struct *child, unsigned int mode);
int (*ptrace_traceme) (struct task_struct *parent);
....
http://lxr.linux.no/linux+v2.6.36/include/linux/security.h#L1363

解讀一下exploit

target = def_ops + sizeof(void *) + ((11 + sizeof(void *)) & ~(sizeof(void *) - 1)); //target想跳至ptrace_traceme

第一個 sizeof(void *) 因為要跳過  int (*ptrace_access_check) 這個pointer。

然而 name 這個 string 因為大小為11，但是為了做alignment。所以寫成

(11 + sizeof(void *)) & ~(sizeof(void *) - 1)

11 長度的char array 為了要入memory 又要 alignment 4 的倍數情況下，是要 給他三格(i.e. 12 Bytes)

多出的那 1 Bytes, 就是我們所謂的padding。  而"&"這邊的技巧在Linux Kernel也有用到[註1]。

& ~(sizeof(void *) - 1)  == & 1100   //sizeof(void *) = 4

而(11 + sizeof(void *)) & 1100 在 Binary的角度來看就是做mask來遮蔽後面2-bits
前面兩個2-bits則保留。而最後

(11 + sizeof(void *)) & ~(sizeof(void *) - 1) == 12 Bytes

用我們人類常用的10進位來舉例更貼近，假設記憶體中以0, 10, 20, 30 ...來存取指令。

假設有一到指令從0放到15的位置。為了alignment 10 的倍數, 我們必須這指令從0~20。

實作上就是 15 + 10 = 25 個位數的地方mask掉變成20。 就像前面我們做

& ~(sizeof(void *) - 1) 一樣。

[註1]
#define PAGE_MASK               (~(PAGE_SIZE-1))

　http://lxr.free-electrons.com/source/arch/arm/include/asm/page.h#L15