gcc：通过显式 memcpy 避免严格别名违规警告

Question

我有一个 class 需要 64 位内存。为了实现平等，我使用了 reinterpret_cast<uint64_t*>，但它在 gcc 7.2（但不是 clang 5.0）上导致了这个警告：

$ 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，除非您要转换为实际类型或 char*，否则转换是未定义的行为。例如，加载值时可能存在特定于体系结构的布局限制。这就是我尝试其他方法的原因。

这里是简化版的源代码(link to 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，应该也是便携的。

查看汇编器（gcc 7.2 with -std=c++17 -O3），memcpy 得到了完美优化，而直接比较导致代码效率较低：

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 memcpy 版本是可移植的 C++ 代码？
假设编译器能够像本例中那样优化掉 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;
}

这里是updated godbolt link。也应该是可移植的（sizeof(*this) 是 64 位），所以我认为这是迄今为止最好的解决方案。

Answer 1

在C++17中，可以使用memcmp in combination with has_unique_object_representations：

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次比较 (godbolt link):

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

静态断言确保 class X 不包含填充位。否则，比较两个逻辑上等效的对象可能 return 错误，因为填充位的内容可能不同。在那种情况下，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，它可以用作 memcmp 的替代方法。但是，您仍然必须确保不涉及填充同样的道理。）

gcc：通过显式 memcpy 避免严格别名违规警告

gcc: avoiding strict-aliasing violation warning by explicit memcpy

c++

gcc

strict-aliasing

gcc-warning

c++17