为什么 GCC 和 Clang 不做这种别名优化？

Question

I have a case 朋友将“Base”类型的非基类对象强制转换为“Derived”类类型对象，其中“Derived”是“Base”的派生类，只添加函数，不添加数据.在下面的代码中，我确实在派生类中添加了一个数据成员x

struct A {
  int a;
};

struct B : A {
  // int x;
  int x;
};

A a;

int g(B *b) {
   a.a = 10;
   b->a++;
   return a.a;
}

通过严格的别名分析，GCC（也是 Clang）总是返回 10，而不是 11，因为在定义明确的代码中，b 永远不能指向 a。但是，如果我删除B::x（实际上是我朋友的代码中的情况），GCC 的输出汇编代码不会不优化a.a 的返回访问并从内存中重新加载值。所以我朋友的代码在 GCC 上调用 g“工作”（如他所愿），即使我认为它仍然具有未定义的行为

g((B*)&a);

所以在本质上相同的两种情况下，GCC 优化了一种情况而没有优化另一种情况。 是不是因为b 可以合法地 指向@ 987654333@?还是因为 GCC 只是不想破坏真实世界的代码？

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我测试了陈述的答案

如果您删除 B::x，则 B 满足 9p7 中标准布局类的要求，并且访问变得完美定义，因为这两种类型是布局兼容的，9.2p17。

具有两个布局兼容的枚举

enum A : int { X, Y };
enum B : int { Z };

A a;

int g(B *b) {
   a = Y;
   *b = Z;
   return a;
}

g 的汇编器输出返回 1，而不是 0，即使 A 和 B 是布局兼容的 (7.2p8)。

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所以我的进一步问题是（引用一个答案）：“具有完全相同布局的两个类可能被认为是“几乎相同”，它们被排除在优化之外。” 。 有人可以为 GCC 或 Clang 提供证明吗？

Answer 1

我相信以下是合法的 C++（不调用 UB）：

#include <new>

struct A {
  int a;
};

struct B : A {
  // int x;
};

static A a;

int g(B *b);
int g(B *b) {
   a.a = 10;
   b->a++;
   return a.a;
}

int f();
int f() {
  auto p = new (&a) B{};
  return g(p);
}

因为（全局）a 始终引用 A 类型的对象（即使在调用 f() 之后它是 B 对象的子对象）并且 p 指向输入B。

如果您将a 标记为具有static 存储持续时间（正如我在上面所做的那样），我测试过的所有编译器都会很高兴地应用严格别名并优化以返回10。

另一方面，如果您将g() 标记为__attribute__((noinline)) 或添加一个函数h()，该函数返回一个指向a 的指针

A* h();
A* h() { return &a; }

我测试过的编译器假定&a 和参数b 可以别名并重新加载值。

Answer 2

我认为您的代码是 UB，因为您正在取消引用来自违反 type aliasing rules 的强制转换的指针。

现在，如果您激活严格别名标志，您将允许编译器为 UB 优化代码。如何使用这个 UB 取决于编译器。你可以看到this question的答案。

关于 gcc，documentation for -fstrict-aliasing 表明它可以基于：

(...) 假定一种类型的对象永远不会驻留在同一位置 地址作为不同类型的对象，除非类型几乎 一样的。

我还没有找到“几乎相同”的定义，但是具有完全相同布局的两个类可能被认为“几乎相同”并且它们被排除在优化之外。

Answer 3

未定义的行为包括它确实工作的情况，即使它不应该。

根据此联合的标准用法，允许访问标头或数据成员的类型和大小字段：

union Packet {
   struct Header {
   short type;
   short size;  
   } header;
   struct Data {
   short type;
   short size;  
   unsigned char data[MAX_DATA_SIZE];
   } data;
}

这严格限于联合，但许多编译器支持将其作为一种扩展，前提是“不完整”类型将以未定义大小的数组结尾。如果你从子类中删除额外的静态非成员，它确实变得微不足道并且布局兼容，这允许别名？

struct A {
  int a;
};

struct B  {
  int a;
  //int x;
};

A a;

int g(B *b) {
   a.a = 10;
   b->a++;
   return a.a;
}

尽管如此，仍会执行别名优化。在您具有相同数量的非静态成员的情况下，假定最派生类与基类相同。让我们颠倒顺序：

#include <vector>
#include <iostream>

struct A {
  int a;
};

struct B : A  {
  int x;
};

B a;

int g(A *b) {
   a.a = 10;
   b->a++;
   return a.a;
}

int main()
{
    std::cout << g((A*)&a);
}

这会按预期返回 11，因为与最初的尝试不同，B 显然也是 A。让我们玩得更远

struct A {
  int a;
};

struct B : A {
    int  foo() { return a;}
};

不会导致别名优化，除非 foo() 是虚拟的。向 B 添加非静态或 const 成员将导致“10”答案，添加非平凡构造函数或静态不会。

附言。 在第二个例子中

enum A : int { X, Y };
enum B : int { Z };

这两者之间的布局兼容性由 C++14 定义，它们与底层类型不兼容（但可转换）。虽然像

 enum A a = Y;
 enum B b = (B*)a;

可能会产生未定义的行为，就像您尝试使用任意 32 位值映射浮点数一样。

Answer 4

如果您删除 B::x，那么 B 满足 9p7 中对标准布局类的要求，并且访问变得完美定义，因为这两种类型是 layout-兼容，9.2p17 和成员都具有相同的类型。

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标准布局类是这样的类：

• 没有非标准布局类（或此类类型的数组）或引用类型的非静态数据成员，
• 没有虚函数 (10.3) 和虚基类 (10.1)，
• 对所有非静态数据成员具有相同的访问控制（第 11 条），
• 没有非标准布局基类，
• 要么在派生最多的类中没有非静态数据成员，并且最多有一个具有非静态数据成员的基类，要么没有具有非静态数据成员的基类，并且
• 没有与第一个非静态数据成员相同类型的基类。

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如果两个标准布局结构类型具有相同数量的非静态数据成员并且相应的非静态数据成员（按声明顺序）具有布局兼容类型，则它们是布局兼容的。