C++别名规则

Question

C++别名规则

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请问有人能为我确认一些别名规则吗？

我知道别名问题（即load-store问题）可能会使以下代码不够优化，因为我们不能假设x，y，z不重叠：

// case 1:
void plus(size_t n, double *x, double *y, double *z)
{
    for (size_t i = 0; i != n; ++i)
        z[i] = x[i] + y[i];
}

我知道 C 语言关键字__restrict可以提示编译器不去考虑重叠的情况，因此可能会生成更好的代码：

// case 2:
void plus(size_t n, double *__restrict x, double *__restrict y, double *__restrict z)
{ // as above... }

但是当我们使用C++风格的代码时，别名如何工作呢？在这种情况下，我们需要处理通过引用传递的容器对象，而不是上面使用原始指针的C语言示例？

例如，如果我们执行以下操作，我认为会出现别名问题：

// case 3:
void plus(std::vector<double> &x, std::vector<double> &y, std::vector<double> &z)
{ // similar to above... }

那么，为了举例说明，如果容器中的基础数据类型不同，是否会有任何区别？在实现层面上，大多数容器使用指针动态管理存储，因此我不清楚编译器如何确保以下内容不重叠：

// case 4:
void foo(std::vector<mytype1> &x, std::vector<mytype2> &y)
{ // interwoven operations on x, y... }

我并不试图进行微小的优化，但我想知道目前将受限制的指针传递到容器中是否比传递引用更好。

编辑：为了澄清一些术语，正如指出的那样：restrict是C99关键字。各种编译器中还有__restrict和__restrict__，但它们都做同样的事情。

- Darren Engwirda

对于容器示例，除非&x == &y，否则我不相信它们会重叠，假设符合标准的向量实现。 - Sven

@Sven：不同的std::vector不会重叠，但通常你可以通过引用传递任何对象类型，可能是重叠的。因此，我希望编译器需要确保正确性，并对别名进行保守假设。这就是为什么__restrict出现的原因... - Darren Engwirda

@Darran：是否有编译器可以在传递重载operator[]的对象时进行矢量优化或其他优化，而不是实际的数组或指针？我有点怀疑。 - Sven

@Sven：据我所知，负载存储问题不仅仅是关于循环是否可以展开为sse/sse2等向量指令，而更多地涉及到在循环内部，在存储操作之后，通过可能别名的指针访问的所有变量都需要重新加载，这会影响寄存器使用。至于std::vector，我希望大多数编译器/实现都会内联operator[]，否则可能会出现严重的性能问题，无论是否存在别名... - Darren Engwirda

restrict 是 C 语言的一个关键字（自 C99 起），但 __restrict 不是。由于 __ 的存在，它是编译器的扩展。 - Luc Danton

2个回答

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这与C++无关。考虑一下C99的这段代码：

struct vector {
    double* data;
    size_t n;
};

void
plus(struct vector* restrict x, struct vector* restrict y, struct vector* restrict z)
{
    // same deal as ever
}

这里，restrict 对我们几乎无用： x->data，y->data 和 z->data 都是 double*，并且允许别名。这与情况1完全相同，即使使用 restrict 也是如此。

如果在C ++（或使用扩展时）中有一个restrict 关键字，最好的方法可能是使用与情况2中相同的plus，执行 plus(vecA.size(), &vecA[0], &vecB[0], &vecB[0])。事实上，现在可以使用不带有restrict 但在内部使用该关键字的C89样式接口来完成此操作。

- Luc Danton

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你能否在这种情况下定义类似于struct vector { double *restrict data; //etc };，以防止别名问题？ - Darren Engwirda

@Darren 在这种情况下你可以这样做并且它会起作用，但是我认为考虑到 void f(struct vector* x, struct vector* y)，那么 f(p, p) 是有问题的：x->data 将会是 double* restrict 但是会与 y->data 别名（如果我理解正确的话）。restrict 看起来更像是一个强大的工具，应该保留给特殊情况而不是万能药。 - Luc Danton

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可以查看英文原文，
原文链接

- Xeo · Accepted Answer

根据严格别名规则，除了char*和相关类型，您不允许使用指向不同类型的指针来别名相同的内存，因此如果其中一个类型是char*，则仅适用于第4种情况。

然而，对于所有编译器，引用都是以指针形式实现的，尽管标准并不要求这样做，实现可以提出其他方案，因此第3种情况与第1种情况并没有太大区别。