Wie wirken sich strenge Aliasing-Regeln auf die Compiler-Optimierung im C/C-Code aus?

Strenge Aliasing-Regeln und Funktionsoptimierung

Betrachten Sie die folgende Funktion:

inline u64 Swap_64(u64 x)
{
    u64 tmp;
    (*(u32*)&tmp)       = Swap_32(*(((u32*)&x)+1));
    (*(((u32*)&tmp)+1)) = Swap_32(*(u32*) &x);

    return tmp;
}

Obwohl sie harmlos erscheinen mag, Dieser Code zeigt verdächtiges Verhalten, wenn die Optimierung aktiviert ist. Der Compiler scheint die Zuweisungen an die temporäre Variable tmp „wegzuoptimieren“. Um zu verstehen, warum dies geschieht, müssen wir uns mit den „strengen Aliasing-Regeln“ befassen.

Striktes Aliasing

Strenge Aliasing-Regeln schreiben vor, dass der Zugriff auf ein Objekt über einen Zeiger von a erfolgt Ein anderer Typ ist unzulässig, auch wenn die Zeiger auf denselben Speicher verweisen. Dadurch kann der Compiler davon ausgehen, dass Zeiger unterschiedlicher Typen kein Alias ​​(überlappen) aufweisen und entsprechend optimiert werden. Betrachten Sie das in der Frage bereitgestellte Beispiel.

In Swap_64 ist tmp vom Typ u64, während x vom Typ u32 ist. Der Compiler interpretiert &x als Zeiger auf ein u32-Objekt. Nach strengen Aliasing-Regeln ist der Zugriff auf diesen Speicher über einen Zeiger auf ein u64-Objekt (&tmp) illegal.

Optimierung und undefiniertes Verhalten

Auf hoher Ebene Wenn die Optimierung aktiviert ist, stellt der Compiler fest, dass die Zuweisungen an tmp optimiert werden könnten, da der Speicher, auf den er verweist, nicht tatsächlich geändert wird. Diese Optimierung liegt in den Rechten des Compilers, da strenge Aliasing-Regeln es ihm ermöglichen würden, anzunehmen, dass &x und &tmp auf unterschiedlichen Speicher zeigen.

Diese Optimierung basiert jedoch auf der Annahme, dass der Speicher auf zeigt Auf &x wird nicht über einen Zeiger eines anderen Typs zugegriffen. Durch die Verletzung strenger Aliasing-Regeln führt der Code zu undefiniertem Verhalten. Der Compiler kann in solchen Szenarien tun und lassen, was er will, einschließlich scheinbar harmloser Vorgänge wie der Wegoptimierung der Zuweisungen. Wenn die Optimierung aktiviert ist, funktioniert der Code daher nicht mehr wie erwartet.

Lösung

Um dieses Problem zu beheben, muss sichergestellt werden, dass strenge Aliasing-Regeln nicht verletzt werden. Ein Ansatz besteht darin, eine Union zu verwenden, um die Bits von x als u64 neu zu interpretieren. Dadurch wird sichergestellt, dass über den entsprechenden Typ auf denselben Speicher zugegriffen wird, wodurch eine Verletzung strenger Aliasing-Regeln vermieden wird und der Code auch bei aktivierten Optimierungen ordnungsgemäß funktioniert.

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