编译器指令重新排序

Question

struct Vec
{
    double x, y, z;
};

Vec vec;
vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
double res = (&vec.x)[2];    // (&vec.x)[2] should be equal to vec.z

变量 res 的值应该等于 3。但是当我打开优化时，编译器会错误地重新排序指令并且 res 包含一些垃圾。一些可能的重新排序示例：

vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
res = (&vec.x)[2];    // correct value

vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
res = (&vec.x)[2];    // incorrect value
vec.z = 3.0;

vec.x = 1.0;
res = (&vec.x)[2];    // incorrect value
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;

这是编译器中的错误吗？还是不允许这样访问struct数据成员？

编辑：

我刚刚意识到前面的代码确实有效，对此感到抱歉。但这不起作用：

Vec vec;
vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
double res = (&vec.x)[i];    // (&vec.x)[i] should be equal to vec.z when i == 2

当编译时不知道变量i时，编译器会错误地重新排序指令。

Answer 1

您正在调用未定义的行为。 (&vec.x)[2] 等同于 (&vec.x) + 2，标准 (§[expr.add]/4) 对指针添加有以下说法（强调我的）：

当具有整数类型的表达式被添加或减去时 从一个指针，结果具有指针操作数的类型。如果 指针操作数指向数组对象⁸⁴的一个元素，而 数组足够大，结果指向一个元素偏移量 原始元素使得下标的差异 结果和原始数组元素等于积分表达式。 换句话说，如果表达式 P 指向一个 数组对象，表达式 (P)+N（等价于 N+(P)）和 (P)-N （其中 N 的值为 n）分别指向 i + n-th 和 i - 数组对象的第 n 个元素，前提是它们存在。此外，如果 表达式 P 指向数组对象的最后一个元素， 表达式 (P)+1 指向数组对象的最后一个元素， 如果表达式 Q 指向数组的最后一个元素 对象，表达式 (Q)-1 指向数组的最后一个元素 目的。 如果指针操作数和结果都指向元素 相同的数组对象，或数组的最后一个元素 对象，评估不应产生溢出；否则， 行为未定义。

另见上文引用的注释 84：

84) 为此目的，一个不是数组元素的对象被认为属于一个单元素数组；见 5.3.1。

由于vec.x不是数组，所以被认为是单元素数组的一个元素。因此vec.x 和vec.z 不是同一个数组的元素，行为未定义。

Answer 2

除了未定义的行为，请注意 C++ 不会强制将它们分配在一起。如果您想同时通过索引和名称来引用它们，我建议您采用另一种方式：

struct Vec
{
    double elems[3];
    double& x;
    double& y;
    double& z;

    Vec()
    : x( elems[0] ), y( elems[1] ), z( elems[2] )
    {
    }
};

如果您负担不起每个对象可能（但不是必需的）额外空间，您不妨将 x、y、z 声明为返回引用的函数。

Answer 3

我最终找到了一个解决方案，它可以防止指令重新排序并且不会增加 Vec 结构的大小：

struct Vec
{
    union
    {
        struct
        {
            double x, y, z;
        };
        double data[3];
    };
};

Vec vec;
vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
double res = vec.data[i];

感谢您的回答。