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

本是古典何须时尚 2022-03-25 15:44 192阅读 0赞

**“-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：

<table style="width:426.1pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0pt;">In&nbsp;particular,&nbsp;an&nbsp;object&nbsp;of&nbsp;one&nbsp;type&nbsp;is&nbsp;assumed&nbsp;never&nbsp;to&nbsp;reside&nbsp;at&nbsp;the&nbsp;same&nbsp;address&nbsp;as&nbsp;an&nbsp;object&nbsp;of&nbsp;a&nbsp;different&nbsp;type,&nbsp;unless&nbsp;the&nbsp;types&nbsp;are&nbsp;almost&nbsp;the&nbsp;same.</p> <p style="margin-left:0pt;"><strong>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</strong>，否则即破坏了严格别名规则。</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

别名的定义可理解为：同一内存地址有不同的名称，比如：

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：

<table style="width:426.1pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0pt;">#include&nbsp;&lt;stdio.h&gt;</p> <p style="margin-left:0pt;">int&nbsp;main()&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;int&nbsp;m&nbsp;=&nbsp;0x12345678;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short*&nbsp;s&nbsp;=&nbsp;(short*)&amp;m;&nbsp;//&nbsp;使用C++的方式也不可：short*&nbsp;s&nbsp;=&nbsp;reinterpret_cast&lt;short*&gt;(&amp;m);</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printf("%x\n",&nbsp;*s);</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;</p> <p style="margin-left:0pt;">}</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

gcc-4.1.2上运行情况，可以看到每次结果都不相同：

<table style="width:426.1pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0pt;">&gt;&nbsp;g++&nbsp;--version</p> <p style="margin-left:0pt;">&gt;&nbsp;g++&nbsp;-g&nbsp;-o&nbsp;e&nbsp;e.cpp&nbsp;-O2</p> <p style="margin-left:0pt;">&gt;&nbsp;./e</p> <p style="margin-left:0pt;">6590</p> <p style="margin-left:0pt;">&gt;&nbsp;./e</p> <p style="margin-left:0pt;">590</p> <p style="margin-left:0pt;">&gt;&nbsp;./e</p> <p style="margin-left:0pt;">ffffb590</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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：

<table style="width:426.1pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0pt;">#include&nbsp;&lt;stdio.h&gt;</p> <p style="margin-left:0pt;">union&nbsp;X&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;int&nbsp;m;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short&nbsp;s;</p> <p style="margin-left:0pt;">};</p> <p style="margin-left:0pt;">int&nbsp;main()&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;X&nbsp;x;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;x.m&nbsp;=&nbsp;0x12345678;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short&nbsp;s&nbsp;=&nbsp;x.s;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printf("%x\n",&nbsp;s);</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;</p> <p style="margin-left:0pt;">}</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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）：

<table style="width:426.1pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0pt;">#include&nbsp;&lt;stdio.h&gt;</p> <p style="margin-left:0pt;">union&nbsp;X&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;int&nbsp;m;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short&nbsp;s;</p> <p style="margin-left:0pt;">};</p> <p style="margin-left:0pt;">int&nbsp;main()&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;X&nbsp;x;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;x.m&nbsp;=&nbsp;0x12345678;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short*&nbsp;s&nbsp;=&nbsp;&amp;x.s;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printf("%x\n",&nbsp;*s);</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;</p> <p style="margin-left:0pt;">}</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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）：

<table style="width:426.1pt;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;width:426.1pt;"> <p style="margin-left:0pt;">#include&nbsp;&lt;stdio.h&gt;</p> <p style="margin-left:0pt;">union&nbsp;X&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;int&nbsp;m;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short&nbsp;s;</p> <p style="margin-left:0pt;">};</p> <p style="margin-left:0pt;">int&nbsp;main()&nbsp;{ </p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;int&nbsp;m&nbsp;=&nbsp;0x12345678;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;short&nbsp;s&nbsp;=&nbsp;((X*)&amp;m)-&gt;s;</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printf("%x\n",&nbsp;s);</p> <p style="margin-left:0pt;">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;</p> <p style="margin-left:0pt;">}</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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