严格别名规则“-fstrict-aliasing”和“-fno-strict-aliasing”及类型双关

 

“-fstrict-aliasing”表示启用严格别名规则，“-fno-strict-aliasing”表示禁用严格别名规则，当gcc的编译优化参数为“-O2”、“-O3”和“-Os”时，默认会打开“-fstrict-aliasing”。

 

什么是严格别名规则？gcc对严格别名的定义：

In particular, an object of one type is assumed never to reside at the same address as an object of a different type, unless the types are almost the same.

即，编译器假定相同的内存地址绝不会存放不同类型的数据，否则即破坏了严格别名规则。

 

别名的定义可理解为：同一内存地址有不同的名称，比如：

int m = 0x20190101;

int* p1 = &m;

int *p2 = &m;

int *p3 = p2;

int n = m;

 

这里“&m”、“p1”、“p2”和“p3”均是同一内存地址的别名，但n不是，因此涉及严格别名，是和指针相关的。

 

下列代码，如果使用“-O2”、“-O3”或“-Os”编译，并且加不“-fno-strict-aliasing”，则“*s”的结果是未定义的，不同的编译器可能产生不同的结果，即使同一编译器也可能运行时结果不尽相同：

#include 

int main() {

    int m = 0x12345678;

    short* s = (short*)&m; // 使用C++的方式也不可：short* s = reinterpret_cast(&m);

    printf("%x\n", *s);

    return 0;

}

 

gcc-4.1.2上运行情况，可以看到每次结果都不相同：

> g++ --version

> g++ -g -o e e.cpp -O2

> ./e

6590

> ./e

590

> ./e

ffffb590

 

怎么解决严格别名问题？采用类型相关（type-punning），手段是采用联合体union，比如下面这种类型相关的用法是安全的：

#include 

union X {

    int m;

    short s;

};

int main() {

    X x;

    x.m = 0x12345678;

    short s = x.s;

    printf("%x\n", s);

    return 0;

}

 

然而，下列用法仍然是不安全的（多版本gcc实测正常，也未有“dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing rules”编译告警，但gcc手册指出结果可能不符合预期）：

#include 

union X {

    int m;

    short s;

};

int main() {

    X x;

    x.m = 0x12345678;

    short* s = &x.s;

    printf("%x\n", *s);

    return 0;

}

 

下列代码的结果也是未定义的（多版本gcc实测也正常，同样未有编译告警，但gcc手册指出结果是未定义的）：

#include 

union X {

    int m;

    short s;

};

int main() {

    int m = 0x12345678;

    short s = ((X*)&m)->s;

    printf("%x\n", s);

    return 0;

}

 

如果担心风险，可加上编译参数“-fno-strict-aliasing”，但这会阻止gcc相关的优化。不过下列别名总是安全的：

1) “unsigned int”别名“int”，其它类似

2) “char”别名其它任何类型