c - 严格的别名规则是什么？

Question

当询问common undefined behavior in C时，人们有时会提到严格的别名规则。
他们在说什么？

Answer 1

一个典型的情况是，当将结构（如设备/网络消息）覆盖到系统字大小的缓冲区（如指向uint32_ts或uint16_ts的指针）上时，会遇到严格的别名问题。当您将结构覆盖到这样的缓冲区上，或者通过指针转换将缓冲区覆盖到这样的结构上时，您很容易违反严格的别名规则。
所以在这种情况下，如果我想向某个对象发送消息，我必须有两个不兼容的指针指向同一块内存。我可能会天真地编写这样的代码：

typedef struct Msg
{
    unsigned int a;
    unsigned int b;
} Msg;

void SendWord(uint32_t);

int main(void)
{
    // Get a 32-bit buffer from the system
    uint32_t* buff = malloc(sizeof(Msg));

    // Alias that buffer through message
    Msg* msg = (Msg*)(buff);

    // Send a bunch of messages    
    for (int i =0; i < 10; ++i)
    {
        msg->a = i;
        msg->b = i+1;
        SendWord(buff[0]);
        SendWord(buff[1]);   
    }
}

严格的别名规则使此设置非法：取消引用为不属于 compatible type或C 2011 6.5第71段允许的其他类型之一的对象命名的指针是未定义的行为。不幸的是，您仍然可以这样编写代码，可能会收到一些警告，让它编译得很好，结果在运行代码时出现奇怪的意外行为。
（GCC给出别名警告的能力似乎有些不一致，有时给出友好警告，有时则没有。）
要了解此行为未定义的原因，我们必须考虑严格别名规则购买编译器的原因。基本上，使用这个规则，它不必考虑插入指令来刷新 buff循环的每次运行的内容。相反，在优化时，如果对别名进行一些令人恼火的非强制假设，它可以省略这些指令，在循环运行之前将 buff[0]和 buff[1]加载到CPU寄存器中，并加快循环的速度。在引入严格的别名之前，编译器必须处于一种偏执的状态，即 buff的内容可以随时由任何人从任何地方更改。因此，为了获得额外的性能优势，并且假设大多数人不键入双关指针，引入了严格的别名规则。
请记住，如果您认为示例是人为设计的，那么如果您将缓冲区传递给另一个为您执行发送操作的函数（如果您已经这样做了的话），甚至可能会发生这种情况。

void SendMessage(uint32_t* buff, size_t size32)
{
    for (int i = 0; i < size32; ++i) 
    {
        SendWord(buff[i]);
    }
}

并重写前面的循环以利用这个方便的函数

for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
    msg->a = i;
    msg->b = i+1;
    SendMessage(buff, 2);
}

编译器可能无法或可能无法或智能到尝试内联SendMessage，并且可能决定再次加载或不加载buff。如果 SendMessage是另一个单独编译的API的一部分，那么它可能有加载buff内容的指令。然后，也许你在C++中，这是编译器认为它可以内嵌的一些模板头的实现。或者可能只是你为了方便在.c文件中写的东西。无论如何，不确定的行为可能还会发生。即使我们知道一些在幕后发生的事情，这仍然是违反规则的，因此没有明确定义的行为是可以保证的。因此，仅仅通过包装一个接受单词分隔缓冲区的函数并不一定有帮助。
那我该怎么办呢？
使用工会。大多数编译器都支持这一点，而不会抱怨严格的别名。这在C99中是允许的，在C11中是明确允许的。

union {
    Msg msg;
    unsigned int asBuffer[sizeof(Msg)/sizeof(unsigned int)];
};

可以在编译器中禁用严格别名（gcc中为 f[no-]strict-aliasing）
您可以使用 char*作为别名，而不是系统的单词。规则允许 char*的异常（包括 signed char和 unsigned char）。通常认为 char*会给其他类型起别名。但是，这不会以另一种方式起作用：没有假设您的结构会给字符缓冲区起别名。
新手当心
当两种雷场叠加在一起时，这只是一个潜在雷场。您还应该了解 endianness， word alignment，以及如何通过 packing structs正确处理对齐问题。
脚注
1 C 2011 6.5 7允许左值访问的类型有：
与对象的有效类型兼容的类型，
与对象的有效类型兼容的类型的限定版本，
与对象的有效类型相对应的有符号或无符号类型，
一种类型，它是与对象的有效类型的限定版本相对应的有符号或无符号类型，
在其成员（递归地包括子聚合或包含的联合的成员）中包含上述类型之一的聚合或联合类型，或
字符类型。