GCC strict aliasing – 嫉妒就是承認自己不如別人

GCC strict aliasing

事情是這樣的。我們對tair（淘寶的分布式Key/Value系統）動了一次大手術，更換了網絡框架，經過長時間的測試/調試，終于完全通過了回歸測試。但要打包發布的時候，卻發現服務器可以正常啟動，但卻完全無法接受請求。調試無果，對比打包前后程序的差異，僅在于是否使用-O2選項對程序進行編譯優化。
無頭蒼蠅一樣，Google搜索“gcc optimization problems”，找到StackOverflow上面的 這個帖子 ，“抱著試試看的心態”，在編譯選項中加入-fno-strict-aliasing，bingo！
-fno-strict-aliasing這個選項是做什么的？aliasing又是什么？C和C++的標準給出了說明：

        Strict aliasing is an assumption, made by the C (or C++) compiler, that dereferencing pointers to 
objects of different types will never refer to the same memory location (i.e. alias eachother.)

      

即是說，在strict aliasing規則下，C/C++編譯器認為，“不同類型”的指針（準確說是lvalue）一定不會引用同一個內存區域（即aliasing）。在這個規則的前提下，編譯器就可以進行相應的優化?？聪旅孢@個函數：

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int n ; int foo ( int * ptr ) { n = 1 ; * ptr = 3 ; return n ; } int main ( ) { fprintf ( stdout , "%d \n " , foo ( & n ) ) ; return 0 ; }

編譯并運行：

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$ cc main.c && . / a.out 3 $ cc main.c -O2 && . / a.out 3

一切正常，不是嗎？但如果把函數foo的參數類型改作double*，運行結果“可能”會是：

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$ cc main.c && . / a.out 3 $ cc main.c -O2 && . / a.out 1 $ cc main.c -O2 -fno-strict-aliasing && . / a.out 3

在加-O2選項的情況下程序編譯該程序，輸出竟然是1，難道*ptr=3沒有被執行嗎？不是的，*ptr=3確實是執行了的，全局變量n在函數返回時也確實已經是3了（你可以在fprintf之后打印出n值做驗證），但是foo函數中的語句return n卻被優化成了return 1。為什么呢？因為后者比前者稍了一次內存訪問。編譯器為什么做這樣的優化，為什么在ptr為int*時不做此優化？
這就涉及到strict aliasing的具體規則了。首先定義一下alias：兩個不同的變量引用了同一個對象（內存區域），那么就稱這兩個變量互為alias。下面是C99中可以互為alias的所有情況，除此之外的其他情況下，如果編譯時指定-fstrict-aliasing（-O2及以上優化時自動指定），那么就執行strict aliasing：

• a type compatible with the effective type of the object,
• a qualified version of a type compatible with the effective type of the object,
• a type that is the signed or unsigned type corresponding to the effective type of the object,
• a type that is the signed or unsigned type corresponding to a qualified version of the effective type of the object,
• an aggregate or union type that includes one of the aforementioned types among its members (including, recursively, a member of a subaggregate or contained union),
• a character type.

大致是這樣的：兩個類型兼容的變量可以互為alias，即使使用了signed/unsigned和const/volatile等修飾符；一個類型可以與另一個包含與該類型兼容的成員的struct/union類型的變量互為alias；char類型可以與任意類型互為alias。C++中可以互為alias的還可以是父類與子類。

可以使用-fno-strict-aliasing來取消strict aliasing規則，同時也就放棄了這個規則帶來的優化空間，放棄了一定的性能提升。如果你也遇到了文章開頭我遇到的問題，而且擔心-fno-strict-aliasing的性能損失，那就只能找出違反規則的代碼，調整該代碼，或者僅僅取消該代碼的strict aliasing。

基本就是這樣了，最后總結一下。GCC的aliasing與優化緊密相關，在指定-O2及以上優化級別時自動打開-fstrict-aliasing，執行strict aliasing規則以優化編譯程序。如果你的程序不遵守該規則（比如上面foo函數中出現double*ptr和n同時應用n的情況），就極有可能受到懲罰。GCC中與strict aliasing相關的選項除了-fstrict-aliasing/-fno-strict-aliasing，還有warning選項-Wstrict-aliasing=n，這個選項在你違反stict aliasing時給出警告，其中n為檢查的力度，一般設為2。

最后，如果想深入了解strict aliasing，可以參考這篇 Understanding Strict Aliasing 。另外，GCC的官方文檔中有和 優化選項相關的描述 ，其中也提到了strict aliasing。

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