GCC strict aliasing – 嫉妒就是承认自己不如别人

GCC strict aliasing – 嫉妒就是承认自己不如别人

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：

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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; }

编译并运行：

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$ 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：

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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。