GCC strict aliasing

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本文探讨了GCC编译器的Strict Aliasing规则如何影响代码优化，并通过具体示例展示了当代码违反这一规则时可能出现的问题及解决办法。

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http://www.dutor.net/index.php/2012/07/gcc-strict-aliasing/

　事情是这样的。我们对tair（淘宝的分布式Key/Value系统）动了一次大手术，更换了网络框架，经过长时间的测试/调试，终于完全通过了回归测试。但要打包发布的时候，却发现服务器可以正常启动，但却完全无法接受请求。调试无果，对比打包前后程序的差异，仅在于是否使用-O2选项对程序进行编译优化。
　　无头苍蝇一样，Google搜索“gcc optimization problems”，找到StackOverflow上面的这个帖子，“抱着试试看的心态”，在编译选项中加入-fno-strict-aliasing，bingo！
　　-fno-strict-aliasing这个选项是做什么的？aliasing又是什么？C和C++的标准给出了说明：

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.)

　　即是说，在strict aliasing规则下，C/C++编译器认为，“不同类型”的指针（准确说是lvalue）一定不会引用同一个内存区域（即aliasing）。在这个规则的前提下，编译器就可以进行相应的优化。看下面这个函数：

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

编译并运行：

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

　　一切正常，不是吗？但如果把函数foo的参数类型改作double*，运行结果“可能”会是：

$ 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选项的情况下程序编译该程序，输出竟然是1，难道*ptr=3没有被执行吗？不是的，*ptr=3确实是执行了的，全局变量n在函数返回时也确实已经是3了（你可以在fprintf之后打印出n值做验证），但是foo函数中的语句return n却被优化成了return 1。为什么呢？因为后者比前者稍了一次内存访问。编译器为什么做这样的优化，为什么在ptr为int*时不做此优化？
　　这就涉及到strict aliasing的具体规则了。首先定义一下alias：两个不同的变量引用了同一个对象（内存区域），那么就称这两个变量互为alias。下面是C99中可以互为alias的所有情况，除此之外的其他情况下，如果编译时指定-fstrict-aliasing（-O2及以上优化时自动指定），那么就执行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.

　　大致是这样的：两个类型兼容的变量可以互为alias，即使使用了signed/unsigned和const/volatile等修饰符；一个类型可以与另一个包含与该类型兼容的成员的struct/union类型的变量互为alias；char类型可以与任意类型互为alias。C++中可以互为alias的还可以是父类与子类。

　　可以使用-fno-strict-aliasing来取消strict aliasing规则，同时也就放弃了这个规则带来的优化空间，放弃了一定的性能提升。如果你也遇到了文章开头我遇到的问题，而且担心-fno-strict-aliasing的性能损失，那就只能找出违反规则的代码，调整该代码，或者仅仅取消该代码的strict aliasing。

　　基本就是这样了，最后总结一下。GCC的aliasing与优化紧密相关，在指定-O2及以上优化级别时自动打开-fstrict-aliasing，执行strict aliasing规则以优化编译程序。如果你的程序不遵守该规则（比如上面foo函数中出现double*ptr和n同时应用n的情况），就极有可能受到惩罚。GCC中与strict aliasing相关的选项除了-fstrict-aliasing/-fno-strict-aliasing，还有warning选项-Wstrict-aliasing=n，这个选项在你违反stict aliasing时给出警告，其中n为检查的力度，一般设为2。
　　
　　最后，如果想深入了解strict aliasing，可以参考这篇Understanding Strict Aliasing。另外，GCC的官方文档中有和优化选项相关的描述，其中也提到了strict aliasing。