volatile读/写nullptr的副作用

Question

我是一个有用的助手，我可以为您翻译文本。 我正在观看thisC++讲座（使用俄语）。在大约16:10的时候，讲师提出了一个开放性问题： 拥有这段代码：

int* foo()
{
    volatile auto a = nullptr;
    int* b = a;
    return b;
}

int main()
{}

当使用 -Ofast 编译选项时，Clang 会为 foo 生成 以下 汇编代码。

    mov     qword ptr [rsp - 8], 0 # volatile auto a = nullptr;
    xor     eax, eax
    ret

这意味着编译器假定从a读取时没有副作用，基本上删除了代码中的int * b = a;部分。

另一方面，GCC生成了略微不同的代码（链接）。

    mov     QWORD PTR [rsp-8], 0 # volatile auto a = nullptr;
    mov     rax, QWORD PTR [rsp-8] # int* b = a;
    xor     eax, eax
    ret

在这里，编译器认为从a读取确实产生了副作用，并保持一切不变。

问题是根据C++20标准，正确的行为是什么？

- Dmitry

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我相信这将属于“好像规则”。如果优化没有可观察的影响，那么可以进行优化。 - NathanOliver

@NathanOliver 访问 volatile 被认为是可观察的，尽管其详细含义是由实现定义的。（当然，标准并未说明应发出哪些特定指令。） - user17732522

C++代码（假设其格式正确）需要符合所需的C++抽象机器行为。编译器供应商有足够的自由度将抽象机器行为优化为本地代码。（格式错误的代码可能会导致各种有趣的行为。其中“有趣”被定义为不得不在星期五晚上八点进入工作并一直工作到周末，以调试代码并推出更改以投入生产环境。） - Eljay

Answer 1

a的类型将会是volatile std::nullptr_t。

std::nullptr_t实际上不需要具有任何内部状态，尽管它规定与void*相同大小。该类型仅指定转换行为。

std::nullptr_t不需要在其占用的内存中存储值。所有的转换行为都只依赖于源有std::nullptr_t类型这一事实。因此不需要在那里写入或读取0值。赋值语句int* b = a;不依赖于a中存储的任何状态或值，只依赖于它的类型。

我认为这两种行为都是正确的。volatile访问的可观察副作用的确切含义是实现定义的，如果std::nullptr_t实现为实际上不使用其内存来存储值，则不应生成初始化和隐式转换中对其进行加载/存储的任何指令。但是，如果std::nullptr_t类似于一个始终具有值0的指针实现，则可以合理地期望进行加载和存储。

注：答案最初声称std::nullptr_t可以在任意数量的存储空间中实现，这是错误的，因为标准要求sizeof(std::nullptr_t)==sizeof(void*)。请参见[basic.fundamental]/14。

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事实上，在查看了标准之后，我认为GCC的行为更加可疑。至少根据一条注释，对a的左值到右值转换不应访问nullptr_t的glvalue。这意味着可能不会从a的内存位置加载任何内容，因为它会引入规则不应产生的数据竞争可能性。

- user17732522

Answer 2

我也看了那个讲座。我认为只有gcc方法是有效的，因为：

1. 简单赋值需要更改左操作数对象 (https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n4868/expr.ass#2)
2. 将左值转换为右值不会对nullptr_t产生副作用 (https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n4868/conv#lval-3.1)

- Alexander Glusker

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