GCC:通过显式 memcPY 避免严格混叠违规警告

gcc: avoiding strict-aliasing violation warning by explicit memcpy

本文关键字：警告 memcPY GCC      更新时间：2023-10-16

我有一个在内存中占用 64 位的类。为了实现相等性，我使用了reinterpret_cast<uint64_t*>，但它在 gcc 7.2 上(但不是 clang 5.0)上导致此警告：

$ g++ -O3 -Wall -std=c++17 -g -c example.cpp 
example.cpp: In member function ‘bool X::eq_via_cast(X)’:
example.cpp:27:85: warning: dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing rules [-Wstrict-aliasing]
return *reinterpret_cast<uint64_t*>(this) == *reinterpret_cast<uint64_t*>(&x);                                                                                     ^

根据我的理解，强制转换是未定义的行为，除非您要转换为实际类型或char*。例如，加载值时可能存在特定于体系结构的布局限制。这就是为什么我尝试了其他方法。

以下是简化版本的源代码(链接到godbolt)：

#include <cstdint>
#include <cstring>
struct Y
{
uint32_t x;
bool operator==(Y y) { return x == y.x; }
};
struct X
{
Y a;
int16_t b;
int16_t c;
uint64_t to_uint64() {
uint64_t result;
std::memcpy(&result, this, sizeof(uint64_t));
return result;
}
bool eq_via_memcpy(X x) {
return to_uint64() == x.to_uint64();
}
bool eq_via_cast(X x) {
return *reinterpret_cast<uint64_t*>(this) == *reinterpret_cast<uint64_t*>(&x);
}
bool eq_via_comparisons(X x) {
return a == x.a && b == x.b && c == x.c;
}
};
static_assert(sizeof(X) == sizeof(uint64_t));
bool via_memcpy(X x1, X x2) {
return x1.eq_via_memcpy(x2);
}
bool via_cast(X x1, X x2) {
return x1.eq_via_cast(x2);
}
bool via_comparisons(X x1, X x2) {
return x1.eq_via_comparisons(x2);
}

通过memcpy显式复制数据来避免强制转换可防止出现警告。据我了解，它也应该是便携式的。

看看汇编程序(gcc 7.2 with-std=c++17 -O3)，memcpy 得到了完美的优化，而简单的比较会导致代码效率降低：

via_memcpy(X, X):
cmp rdi, rsi
sete al
ret
via_cast(X, X):
cmp rdi, rsi
sete al
ret
via_comparisons(X, X):
xor eax, eax
cmp esi, edi
je .L7
rep ret
.L7:
sar rdi, 32
sar rsi, 32
cmp edi, esi
sete al
ret

与 clang 5.0 非常相似 (-std=c++17 -O3)：

via_memcpy(X, X): # @via_memcpy(X, X)
cmp rdi, rsi
sete al
ret
via_cast(X, X): # @via_cast(X, X)
cmp rdi, rsi
sete al
ret
via_comparisons(X, X): # @via_comparisons(X, X)
cmp edi, esi
jne .LBB2_1
mov rax, rdi
shr rax, 32
mov rcx, rsi
shr rcx, 32
shl eax, 16
shl ecx, 16
cmp ecx, eax
jne .LBB2_3
shr rdi, 48
shr rsi, 48
shl edi, 16
shl esi, 16
cmp esi, edi
sete al
ret
.LBB2_1:
xor eax, eax
ret
.LBB2_3:
xor eax, eax
ret

从这个实验来看，memcpy版本似乎是代码性能关键部分的最佳方法。

问题：

  • 我的理解是否正确，即memcpy版本是可移植C++代码？
  • 假设编译器能够像本例中那样优化memcpy调用是否合理？
  • 有没有我忽略的更好的方法？

更新：

正如UKMonkey指出的那样，memcmp在进行按位比较时更自然。它还编译为相同的优化版本：

bool eq_via_memcmp(X x) {
return std::memcmp(this, &x, sizeof(*this)) == 0;
}

这是更新的神螺栓链接。也应该是便携式的(sizeof(*this)是 64 位)，所以我认为它是迄今为止最好的解决方案。

在 C++17 中，memcmp 与 has_unique_object_representations 结合使用：

bool eq_via_memcmp(X x) {
static_assert(std::has_unique_object_representations_v<X>);
return std::memcmp(this, &x, sizeof(*this)) == 0;
}

编译器应该能够将其优化为一个比较(godbolt链接)：

via_memcmp(X, X):
cmp rdi, rsi
sete al
ret

静态断言确保类X不包含填充位。否则，比较两个逻辑上等效的对象可能会返回 false，因为填充位的内容可能不同。在这种情况下，在编译时拒绝该代码会更安全。

(注意：据推测，C++20 将添加 std：：bit_cast，这可以用作memcmp的替代方案。但是，出于同样的原因，您仍然必须确保不涉及填充。

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