strict aliasing
概述
C/C++ 中的变量占有一块内存，这时这个变量就是这块内存的别名，指针也可以指向内存，因此同一块内存可能会有多个别名。
int main()
{
int i = 0;
int *ip = &i;
}
其中i和ip是同一块内存，都是它的别名。
内存别名的存在会影响编译器生成的代码的行为。
考虑以下代码块（来自 CSAPP 5.1 节）：
void twiddle1(long *xp, long *yp)
{
*xp += *yp;
*xp += yp;
}
void tiwddle2(long *xp, long *yp)
{
*xp *= 2 * *yp;
}
这两个函数的功能看起来是相同的，但其实不然。加入，xp和yp指向同一块内存，twiddle1()将*xp写为原来的四倍，而twiddle2()将xp写为原来的两倍。
编译器在进行优化时，要确保优化是安全的，即优化的程序和未优化的程序行为是一致的。在上面的例子中，编译器无法判断xp和yp是同一块内存的别名（指向同一块内存），只能保守地认为两个指针指向同一块内存，因此twiddle()要老老实实的进行两次+=。
而当指针指向的对象类型不同时，编译器可以放心地认为指针指向不同的内存，互相不为别名，这就是所谓的 strict aliasing：不同类型的指针指向不同的内存块。在这种情况下，编译器可以使用激进的优化策略。
但是 C/C++ 经常使用类型转换和指针直接操作内存，有时就会破坏 strict aliasing 规则，导致未定义行为。
#include <stdio.h>
int global = 2;
int test_strict_aliasing(int *arg)
{
global = 1;
*reinterpret_cast<float*>(arg) = 0;
return global;
}
int
main()
{
printf("%d\n", test_strict_aliasing(&global));
printf("global: %d\n", global);
return 0;
}
----------------------------------------------------------------------
g++ -Wall -Wstrict-aliasing=1 -o strict-aliasing strict-aliasing.cpp
----------------------------------------------------------------------
0
global: 0
------------------------------------------------------------------------
g++ -Wall -Wstrict-aliasing=1 -O2 -o strict-aliasing strict-aliasing.cpp
------------------------------------------------------------------------
0
global: 1
在上面的程序中reinterpret_cast<float *>(arg)创建了一个临时的float *指针，并且指向的内存块和int *类型指针arg相同，这是非法的内存别名，这反了 strict aliasing 规则，产生未定义行为。在 GCC O2 以下的优化级别，不假设 strict aliasing， 在 O2 及以上优化级别假设 strict aliasing，因此两编译选项下程序的行为不同。
g++ -Wall -Wstrict-aliasing=1 -O2 -o strict-aliasing strict-aliasing.cpp 生成的汇编代码
401170: c7 05 aa 2e 00 00 01 movl $0x1,0x2eaa(%rip) # 404024 <global>
401177: 00 00 00
40117a: b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
40117f: c7 07 00 00 00 00 movl $0x0,(%rdi)
401185: c3 retq
401186: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
40118d: 00 00 00
g++ -Wall -Wstrict-aliasing=1 -o strict-aliasing strict-aliasing.cpp 生成的汇编代码
401126: 55 push %rbp
401127: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40112a: 48 89 7d f8 mov %rdi,-0x8(%rbp)
40112e: c7 05 ec 2e 00 00 01 movl $0x1,0x2eec(%rip) # 404024 <global>
401135: 00 00 00
401138: 48 8b 45 f8 mov -0x8(%rbp),%rax
40113c: 66 0f ef c0 pxor %xmm0,%xmm0
401140: f3 0f 11 00 movss %xmm0,(%rax)
401144: 8b 05 da 2e 00 00 mov 0x2eda(%rip),%eax # 404024 <global>
40114a: 5d pop %rbp
40114b: c3 retq
可以发现 O2 编译选项下生成的代码更少，性能更强。O2 下的代码直接将数字1当成返回值返回，而不是将global当成返回值返回，因此程序出现了错误的行为。
将指针转型为不相容（imcompatible的指针类型，并进行读写违反了 strict aliasing，是严重的未定义行为。如果确实需要进行 type punning，必须将指针转换为相容的指针类型,即通过合法的内存别名访问内存。C/C++ 标准规定了以下类型的指针是合法的别名：
- 指针指向的类型相差
unsigned、signed、volatile char *和void *是所有指针的合法别名- 指向包含指针指向对象类型的聚合类或 union 的指针是合法别名
使用char *创建合法别名
char在 C/C++ 中实际上是字节类型，使用非常频繁，因此在标准中为它开了“后门”。
以下程序避免了未定义行为：
int test_strict_aliasing(int *arg)
{
global = 1;
*reinterpret_cast<float*>(arg) = 0;
*reinterpret_cast<char *>(arg) = 0;
*(reinterpret_cast<char *>(arg) + 1) = 0;
*(reinterpret_cast<char *>(arg) + 2) = 0;
*(reinterpret_cast<char *>(arg) + 3) = 0;
return global;
}
使用union * 创建合法别名
union int2float
{
int i;
float f;
};
int test_strict_aliasing(int *arg)
{
global = 1;
*reinterpret_cast<float*>(arg) = 0;
return global;
}
上面的程序定义了一个包含我们要修改的指针指向的对象类型（int）的联合体，然后将arg转型为union int2float *再通过 union 修改*arg。这种方法是 GCC 推荐的方法。
禁止编译器假设 strict aliasing
上面提到，在 O2 及以上优化等级才会 假设 strict aliasing ，有大量的 C/C++ 程序必须违反 strict aliasing，因此 GCC 提供了-fstrict-aliasing和-fno-strict-aliasing选项开启和关闭 strict aliasing。
GCC 还提供了-Wstrict-aliasing来警告违反 strict-aliaisng 的行为，这个选项被-Wall默认开启。GCC 虽然提供了警告选项，但该功能工作的并不好。
总结
GCC 对 strict aliasing 的处理让很多 C/C++ 程序不加上-no-strict-aliasing选项就无法正确运行，这引起了很多人的愤怒，Linus 还专门喷过 GCC，但是经过我通过实验发现，Clang 也和 GCC 一样烂。
总之，要避免直接对指针进行转型并读写，这是未定义的！！！
