在不违反严格的别名规则的情况下调用 FFTW 的就地实数到复数转换

Question

我想调用 fftw's in-place real-to-complex transform 函数，它具有以下签名：

fftw_plan fftw_plan_dft_r2c_1d(
    int n,             // transform length
    double* in,        // pointer to input array
    fftw_complex* out, // pointer to output array
    unsigned flags     // flags
);

文档说我应该表明我希望通过为 in 和 out 参数传递别名指针来执行就地转换。

问题： in 和 out 如何在不违反严格的别名规则的情况下使用别名？

我对 GCC 特定的扩展持开放态度（即，使用 unions 进行类型双关，即使标准声明这是未定义的行为）。即使允许此扩展，联合也不能包含动态大小的数组（这在这个应用程序中是必须的——我事先不知道转换长度）。有人有什么想法吗？提前致谢。

Answer 1

我会挑战这个前提：不要太担心严格的别名。

创建一个 double 的数组并将指向它的指针传递给 in。 reinterpret_cast 指向 fftw_complex * 的指针并将其传递给 out.

从此数组中读取结果 doubles（作为复数的实部和虚部对）。

是的，如果以这种方式调用，fftw_plan_dft_r2c_1d 可能会打破幕后的严格别名。

但是由于它在一个单独的翻译单元中，并且调用者没有违反严格别名，您的编译器无法判断是否确实违反了严格别名。

fftw_complex 是 essentially 一个 struct fftw_complex {double re, im;};，所以一切正常。

为了更加安全，您可以添加：

static_assert(sizeof(fftw_complex) == 2 * sizeof(double) && alignof(fftw_complex) <= alignof(double));

Answer 2

根据this linkfftw_complex是下面的typedef:

typedef double fftw_complex[2];

并且根据 C++20 之前的规则 fftw_complex* 可能会因为这个别名 double* ([basic.lval]p8.6):

If a program attempts to access the stored value of an object through a glvalue of other than one of the following types the behavior is undefined:
...
— an aggregate or union type that includes one of the aforementioned types among its elements or nonstatic data members (including, recursively, an element or non-static data member of a subaggregate or contained union)

数组是一个集合，我们的数组包含 doubles 因此它允许别名 double 指针。因此，fftw_plan_dft_r2c_1d 函数中没有违反严格的别名规则，您可以安全地使用它。

但是请注意，此段已从 C++20 标准中删除，并且正在争论是否也应将其从 C 标准中删除。但是因为它还没有被删除并且 GCC & clang 实际上尊重它我想可以安全地假设行为不会随着 C++20 实现而改变。据我所知，MSVC 根本没有利用 SAR。

Answer 3

此构造并不一定意味着违反别名。在 fftw_plan_dft_r2c_1d 中，可能有一个 placement new array 调用，它正确地创建了 out 缓冲区。

对于 C++17，您可能希望在调用后 std::launder out 指针，以绝对符合标准。

在不违反严格的别名规则的情况下调用 FFTW 的就地实数到复数转换

Calling FFTW's in-place real-to-complex transform without violating strict aliasing rules

c++

gcc

strict-aliasing

fftw

c++17