指针别名规则的应用（指向自身地址的指针）答案

【问题标题】：Application of Pointer Aliasing Rule (Pointer to Addess of Itself)指针别名规则的应用（指向自身地址的指针）
【发布时间】：2014-09-26 20:54:43
【问题描述】：

我最近遇到了一个讨厌的 schrödinbug。在尝试将文件加载到平面内存表示中时，作者编写了如下代码：

class Line final { public:
    int stuff[3];
    char* data;
}

//...

Line* line = /*...*/;
//Trying to treat line->data like an array.  This is *wrong*.
line->data = reinterpret_cast<char*>(line) + 3*sizeof(int);

//...

line->data[0] = /*...*/
line->data[1] = /*...*/
//...
line->data[n] = /*...*/ //"line->data" changes because of this line!

所以，发生的事情是第一行代码基本上将line->data 设置为等于&line->data。这是一个错误，因为对line->data 指向的值的任何更改也可能会更改line->data 本身指向的内容！

我当时很奇怪，问题发生的时间太长了。我的理解是，除非使用 restrict（或 g++/MSVC __restrict）限定，否则编译器必须假定指针是别名的。因此，如果我将line->data[0] 设置为某个东西，那么它将对下一次访问line->data[1] 可见，并且几乎肯定会无效。然而，在调试器中，更改直到很久以后才可见，并且写入愉快地继续了一段时间。

我猜编译器（在本例中为 MSVC 2013）不认为自别名是可能的。允许吗？

【问题讨论】：

你的问题基本上是这样的：“为什么line->data[1] = ...没有崩溃？”？
是的。在计算line->data[1] 时，line->data[0] 的写入应该对line->data 的后续负载可见——除非别名不包括自锯齿。
可能是因为填充，取决于系统的位数。
嗯，马上想到的一件事就是对齐。这是在 64 位平台上运行的吗？如果是这样，则指针算术中的计算没有考虑填充。
@OliverCharlesworth @T.C.这确实是在 64 位平台上。你能澄清一下填充是如何应用的吗？ sizeof(Line)==24，所以我猜在data 之前有一个4 字节填充——这使得line->data 稍微在 &line->data 之前。有趣的是，虽然变化经常发生在4 附近，但有时可能会更高。

标签： c++ restrict restrict-qualifier

【解决方案1】：

我的理解是，除非使用restrict（或g++/MSVC __restrict）限定，否则编译器必须假定指针是别名的。

这是不正确的。允许编译器假定指针仅对指向相同类型的指针或指向char 的指针进行别名。

class X;
class Y;
X *ptr_x = ...;
Y *ptr_y = ...;
char *ptr_char = ...;

在这里，编译器可以假设ptr_x 没有别名ptr_y。但是，它不能对ptr_char 做出假设。

【讨论】：

上次我检查了 MSVC 不支持严格别名，所以我假设它必须假设所有指针都是别名。无论如何，这里所讨论的指针是一个char指针。
@IanMallett：确实。可能这是一个编译器错误。但是，必须首先从程序中删除未定义的行为。

【解决方案2】：

很难确切知道问题出在哪里。我早就解决了这个问题，现在还有几个项目。回想起来，原来问题上的 cmets 似乎最成功地提供了解释行为的线索：

可能是因为填充，取决于系统的位数。

和：

嗯，马上想到的一件事就是对齐。这是在 64 位平台上运行的吗？如果是这样，则指针算法中的计算没有考虑填充。

在 64 位架构上，这确实是在编译的，我猜原始问题中的类会像这样布置在内存中（为清晰起见调整了类型）：

int32_t stuff_0;
int32_t stuff_1;
int32_t stuff_2;
//4 bytes of empty space
char* data;

发生填充是因为char* 指针需要与8-byte 对齐。由于前三个ints 占用3*32/8=96/8=12 字节，为了获得该对齐，编译器需要插入一个额外的4 字节以将开销带到一轮16 字节。

data 初始化时，它被错误地初始化为指向空白空间的开头。所以，写信给data[n]，0<=n<4 打填充。只有在访问data[4] 时才会遇到问题。

我说“最成功”，因为虽然问题大部分发生在第五次访问前后，但在我的记忆中，问题有时会在以后发生，即使在调试时也是如此。而且，正如我所写的，这是一个 schrödinbug（也就是说，一个应该发生但没有发生的错误——现在它已经被观察到，总是如此）。我没有关于正在运行的前一种数据的数据，但可能是逻辑导致关键指针范围不受影响。

【讨论】：