编译器指令重新排序

Posted 2023-03-06

【中文标题】编译器指令重新排序

【英文标题】：Compiler instruction reordering

【发布时间】：2016-06-29 03:00:52

【问题描述】：

struct Vec

    double x, y, z;
;

Vec vec;
vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
double res = (&vec.x)[2];    // (&vec.x)[2] should be equal to vec.z

变量 res 的值应该等于 3。但是当我打开优化时，编译器会错误地重新排序指令并且 res 包含一些垃圾。一些可能的重新排序示例：

vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
res = (&vec.x)[2];    // correct value

vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
res = (&vec.x)[2];    // incorrect value
vec.z = 3.0;

vec.x = 1.0;
res = (&vec.x)[2];    // incorrect value
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;

这是编译器中的错误吗？还是不允许这样访问struct数据成员？

编辑：

我刚刚意识到前面的代码确实有效，对此感到抱歉。但这不起作用：

Vec vec;
vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
double res = (&vec.x)[i];    // (&vec.x)[i] should be equal to vec.z when i == 2

当编译时不知道变量i时，编译器会错误地重新排序指令。

【问题讨论】：

@BatCoder：如果是未定义的行为，是否可以重现并不重要。

Javers，(&vec.x)[2]是什么意思，你怎么理解这个？

(&vec.x)[2] 获取 vec.x 的地址，添加 2 并取消引用它。它应该返回 vec.z

的值

如果您想要类似数组的行为，您应该重载结构的下标运算符（即 operator[]），而不是尝试以无法合法使用的方式使用指针运算。见：learncpp.com/cpp-tutorial/98-overloading-the-subscript-operator

原始代码使用 operator[] 做同样的事情——它返回 (&x)[i]

【参考方案1】：

您正在调用未定义的行为。 (&vec.x)[2] 等同于 (&vec.x) + 2，标准 (§[expr.add]/4) 对指针添加有以下说法（强调我的）：

当具有整数类型的表达式被添加或减去时 从一个指针，结果具有指针操作数的类型。如果 指针操作数指向数组对象⁸⁴的一个元素，而 数组足够大，结果指向一个元素偏移量 原始元素使得下标的差异 结果和原始数组元素等于积分表达式。 换句话说，如果表达式 P 指向一个 数组对象，表达式 (P)+N（等价于 N+(P)）和 (P)-N （其中 N 的值为 n）分别指向 i + n-th 和 i - 数组对象的第 n 个元素，前提是它们存在。此外，如果 表达式 P 指向数组对象的最后一个元素， 表达式 (P)+1 指向数组对象的最后一个元素， 如果表达式 Q 指向数组的最后一个元素 对象，表达式 (Q)-1 指向数组的最后一个元素 目的。 如果指针操作数和结果都指向元素 相同的数组对象，或数组的最后一个元素 对象，评估不应产生溢出；否则， 行为未定义。

另见上文引用的注释 84：

84) 为此目的，一个不是数组元素的对象被认为属于一个单元素数组；见 5.3.1。

由于vec.x不是数组，所以被认为是单元素数组的一个元素。因此vec.x 和vec.z 不是同一个数组的元素，行为未定义。

【参考方案2】：

除了未定义的行为，请注意 C++ 不会强制将它们分配在一起。如果您想同时通过索引和名称来引用它们，我建议您采用另一种方式：

struct Vec

    double elems[3];
    double& x;
    double& y;
    double& z;

    Vec()
    : x( elems[0] ), y( elems[1] ), z( elems[2] )
    
    
;

如果您负担不起每个对象可能（但不是必需的）额外空间，您不妨将 x、y、z 声明为返回引用的函数。

【参考方案3】：

我最终找到了一个解决方案，它可以防止指令重新排序并且不会增加 Vec 结构的大小：

struct Vec

    union
    
        struct
        
            double x, y, z;
        ;
        double data[3];
    ;
;

Vec vec;
vec.x = 1.0;
vec.y = 2.0;
vec.z = 3.0;
double res = vec.data[i];

感谢您的回答。

【讨论】：

这保证有效吗？还是编译器特定的行为？你用其他编译器测试过吗？

那仍然是 UB，两次。

sizeof(Vec) == 24. union 为 x 和 data[0]、y 和 data[1]、z 和 data[2] 共享相同的内存。