C++:一个对象既可以存储也可以不存储吗？

Question

我一直在争论关于多线程环境中局部变量的极端情况。

问题是关于这样形成的程序:

std::mutex mut;

int main()
{
    std::size_t i = 0;
    doSomethingWhichMaySpawnAThreadAndUseTheMutex();
    mut.lock();
    i += 1;        // can this be reordered?
    mut.unlock();
    return i;
}

问题围绕着 i += 1 是否可以重新排序以发生在互斥锁之上。

明显的部分是 mut.lock() happens-before i += 1，所以如果任何其他线程可能能够为了观察 i 的值，编译器必须不增加它。从 C++ 规范的 3.9.2.3 开始，“如果类型 T 的对象位于地址 A，则称其值为地址 A 的类型 cv T* 的指针指向该对象，无论该值是如何获得的。""这意味着如果我使用任何方法获取指向 i 的指针，我可以期望看到正确的值。

但是，规范确实声明编译器可以使用“as-if”规则不为对象提供内存地址(第 1.8.6 节脚注 4)。例如，i 可以存储在没有内存地址的寄存器中。在这种情况下，将没有可指向的内存地址，因此编译器可以证明没有其他线程可以访问 i。

我感兴趣的问题是，如果编译器不执行这种“as-if”优化，并且确实存储了对象怎么办。是否允许编译器存储 i，但重新排序就好像 i 没有实际存储一样？从实现的角度来看，这意味着 i 可能存储在堆栈中，因此可能有一个指针指向它，但编译器假设没有人可以看到 i ，然后重新排序？

Answer 1

只要在没有这些优化的情况下合法地获得(“as-if”)程序执行的可观察结果，就允许编译器执行优化。^[1] 所以这个问题使用“as-if”以一种误导的方式，如果实际上不是在问一个倒退的问题:

Is the compiler permitted to store i, but do reordering as-if i was not actually stored?

这询问是否允许编译器做一些事情，只要程序执行的结果可以通过优化获得。那不是要问的问题。该问题应使用未优化的行为作为引用。所以更像是:“是否允许编译器对语句重新排序？” 答案是肯定的，只要可观察的结果不变。这个特定函数的外部没有被告知如何访问 i ，因此应该允许编译器在它的周围使用之间的任何地方实现增量(特别是:它的定义和 return 语句)。

也就是说，我希望编译器在这种情况下不会给出 i。内存地址，也不将其视为寄存器变量。我希望编译器将其视为常量，有效地将您的函数更改为:

int main()
{
    doSomethingWhichMaySpawnAThreadAndUseTheMutex();
    mut.lock();
    mut.unlock();
    return 1;
}

只要您无法检测到它已经完成(除了直接检查机器代码)，就允许这样做。

注意:
^[1] 使用“本来可以”是承认 C++ 规范的某些部分使用了“未指定”一词。这些部分允许编译器做出选择(在处理非健壮代码时)可以改变可观察到的行为。也就是说，可以有一组允许的行为，而不是单个允许的行为。只要结果保留在这个集合中，就允许优化。