位域结构体多线程访问出错的问题分析

　　位域结构体能节省一些内存空间，但是使用不当会产生race conditions，导致程序异常，下面简要分析错误产生的原因和解决方案。

　　首先定义一个简单的bit field结构体。

+struct bit_filed {

+       unsigned a : 1;

+       unsigned b : 1;

+       unsigned c : 1;

+       unsigned d : 1;

+       unsigned e : 1;

+       unsigned f : 1;

+       unsigned g : 1;

+       unsigned h : 1;

+} val;

+

+

+int test_bitfield1(void)

+{

+       val.a = 1;

+       return 0;

+}

+

+int test_bitfield2(void)

+{

+       val.b = 1;

+       return 0;

+}

　　然后反汇编

ffffffc0005421e8 <test_bitfield1>:

ffffffc0005421e8:       f0000fa1        adrp    x1, ffffffc000739000 <__hyp_idmap_text_end+0x4800>

ffffffc0005421ec:       f9426821        ldr     x1, [x1,#1232]

ffffffc0005421f0:       52800000        mov     w0, #0x0                        // #0

ffffffc0005421f4:       39400022        ldrb    w2, [x1]

ffffffc0005421f8:       32000042        orr     w2, w2, #0x1

ffffffc0005421fc:       39000022        strb    w2, [x1]

ffffffc000542200:       d65f03c0        ret

ffffffc000542204 <test_bitfield2>:

ffffffc000542204:       f0000fa1        adrp    x1, ffffffc000739000 <__hyp_idmap_text_end+0x4800>

ffffffc000542208:       f9426821        ldr     x1, [x1,#1232]

ffffffc00054220c:       52800000        mov     w0, #0x0                        // #0

ffffffc000542210:       39400022        ldrb    w2, [x1]

ffffffc000542214:       321f0042        orr     w2, w2, #0x2

ffffffc000542218:       39000022        strb    w2, [x1]

ffffffc00054221c:       d65f03c0        ret

　　可以看到，这种情况下最小访存单元是一个byte，在上面标黄的指令中会从内存读取一个副本，如果test_bitfield1在执行黄色指令后被test_bitfield2强行插入，test_bitfield2执行完毕后test_bitfield1继续执行，

在这种情况下test_bitfield2所做的修改会被丢弃。

　　所以平时如果需要用到bit filed struct， 需要注意：

　　1. 不同位域变量是不是在一个storage unit（可以通过反汇编查看）里面

　　2. 有没有被并发访问的可能。

　　下面这篇文章分析了这个问题并给出了几种解决方案：

　　https://www.securecoding.cert.org/confluence/display/seccode/CON32-C.+Prevent+data+races+when+accessing+bit-fields+from+multiple+threads

1. One approach for preventing data races in concurrent programming is to use a mutex
2. Another approach is to insert a non-bit-field member between any two bit-fields to ensure that each bit-field is the only one accessed within its storage unit.
3. Use distinct non-bit-field members of a structure