PPSSPP模拟器中ATRAC3+音频解码的内存对齐问题分析与修复

问题背景

在PPSSPP模拟器项目中，当运行《Medievil》等游戏时，音频解码过程中会出现无限循环和崩溃的问题。这个问题主要发生在ATRAC3+音频解码器的IPQF（Inverse Polyphase Quadrature Filter）处理阶段，具体表现为访问未对齐内存地址时触发段错误（segfault）。

技术分析

内存对齐的重要性

在现代处理器架构中，特别是使用SIMD（单指令多数据）指令集进行向量化计算时，内存对齐是一个关键因素。x86架构的vmovaps等指令要求操作数必须按照特定字节边界对齐（如16字节或32字节），否则会导致处理器异常。

问题根源

通过调试和分析，发现问题的根本原因在于：

1. 代码中使用了DECLARE_ALIGNED(32, ...)宏来声明结构体成员，期望这些成员具有32字节对齐
2. 但实际分配内存时使用的av_mallocz_array函数（在at3_standalone实现中）没有保证足够的内存对齐
3. 编译器基于对齐假设生成了优化的SIMD指令（如vmovaps），但实际内存地址仅满足16字节对齐而非32字节对齐

具体表现

当执行到ff_atrac3p_ipqf函数中对hist->buf2[hist_pos][i]的写操作时，由于地址未满足32字节对齐要求，导致段错误。错误发生时：

• hist_pos为0，直接访问hist->buf2
• 地址0x561d50ae39f0仅满足16字节对齐（0x561d50ae39f0 % 32 == 0x10）

解决方案

方案评估

项目维护者考虑了多种解决方案：

1. 移除结构体成员的对齐声明（最简单但可能影响性能）
2. 修改内存分配函数保证足够对齐（最规范但需要跨平台考虑）
3. 使用编译器选项强制栈对齐（不适用，因为问题对象在堆上分配）

最终实现

项目采用了第二种方案，修改内存分配函数以保证足够对齐。关键修改包括：

1. 实现对齐的内存分配函数，使用平台特定的对齐分配API：

   • Windows：_aligned_malloc
   • 支持C11/C++17：aligned_alloc
   • POSIX系统：posix_memalign
   • 其他情况：手动实现对齐分配

2. 处理特殊情况：

   • 替换av_realloc为普通realloc（因为对齐realloc实现复杂）
   • 确保对应分配和释放函数匹配

技术细节

手动实现对齐分配的基本原理：

void* aligned_alloc_manual(size_t alignment, size_t size) {
    size_t offset = (alignment - 1) + sizeof(void*);
    void* original = malloc(size + offset);
    if (!original) return NULL;
    
    void** aligned = (void**)(((uintptr_t)original + offset) & ~(alignment - 1));
    aligned[-1] = original; // 存储原始指针用于释放
    return aligned;
}

void aligned_free_manual(void* ptr) {
    if (ptr) {
        void* original = ((void**)ptr)[-1];
        free(original);
    }
}

经验总结

1. 对齐声明必须与分配方式匹配：声明变量/成员对齐时，必须确保实际分配方式满足对齐要求

2. 跨平台内存管理需谨慎：不同平台对齐分配API不同，需要仔细处理兼容性

3. 性能与正确性权衡：虽然现代x86对非对齐访问容忍度提高，但特定指令仍有严格要求

4. SIMD优化需全面考虑：编译器基于对齐假设的自动向量化可能引入潜在问题

这一修复确保了PPSSPP模拟器在多种平台上都能正确处理ATRAC3+音频解码，提升了模拟器的稳定性和兼容性。