Грокаем C++ on Telegram: “strict aliasing В посте о reinterpret

strict aliasing

В посте о reinterpret_cast я имел неаккуратность показать не самый легальный пример, т.к. он приводит к UB. Напомню пример:

double  *pointer_f64 = new double(42);
int64_t *pointer_i64 = reinterpret_cast<int64_t *>(pointer_f64);

Наложение, пересечение областей памяти с разными типами — это достаточно старое и известное явление, именуемое aliasing. С нашей точки зрения указатели pointer_f64 и pointer_i64 ссылаются на одну и ту же область памяти, но работают с ней, как с разными типами. И это в моем примере работало, где же тут UB?

Давайте посмотрим на этот живой пример. Результат отличается, в зависимости от примененных оптимизаций -O0 vs -O2. Это и есть то самое неопределенное поведение, но полученное в других условиях. Тут является важным именно то, через какой тип программа получает доступ к пересекающейся области памяти. От этого зависит будет ли компилятор подставлять значения констант или нет.

Познакомимся с правилом strict aliasing. Стандарт С++ определяет понятие динамического типа в §3.9:

Динамический тип — это тип наиболее наследованного объекта, который инициализирован в памяти.

В соответствии со стандартом C++ §8.2.1, обращаться к памяти объекта через другой тип легально, если:
1. Если мы меняем динамический тип объекта

void *origin = malloc(sizeof(int));
// placement new инициализирует int
int  *other  = new (origin) int(0);

2. Если другой тип совпадает с исходным типом

int  variable = 123;
int *alias    = &variable; // OK

3. Если другой тип — это cv-специфицированный тип динамического типа

int        variable = 123;
int const *alias    = &variable; // OK

4. Если другой тип — это знаковый или беззнаковый тип динамического типа

unsigned int  variable = 123;
signed   int *alias    = reinterpret_cast<signed int*>(&variable); // OK

5. Если другой тип — это знаковый или беззнаковый cv-специфицированный тип динамического типа

unsigned int        variable = 123;
signed   int const *alias    = reinterpret_cast<signed int*>(&variable); // OK

6. Если другой тип совпадает с динамическим типом члена, который включает в себя агрегатный тип (структура, класс, массив, или union), в том числе вложенные

union U
{
  int   ivalue;
  float dvalue;
};

// OK
auto set_default(U &u, int &ivalue)
{
  ivalue   = 0;
  u.dvalue = 2.0;

  return std::pair(ivalue, u.dvalue);
}

Объединение U содержит тип int. Следовательно, int &ivalue потенциально может перезаписывать пересекающуюся память. Компилятор учтет это и не применит оптимизацию.

7. Если другой тип - это родительский тип динамического типа

struct Derived : Base {};

// OK
Derived *derived = new Derived;
Base    *base    = derived;

8. Если другой тип - это cv-специфицированный тип базового класса динамического типа

Derived    *derived = new Derived;
const Base *base    = derived;

9. Если другой тип - это char, unsigned char, std::byte, int8_t, uint8_t

int     *data = new int();
uint8_t *byte = reinterpret_cast<uint8_t*>(data);

Это является исключением, т.к. требуется в разнородных функциях типа memcpy, memset и т.д.

Во всех остальных случаях, обращение к памяти другого объекта является UB!

Пост получился большой, но сказать на эту тему хотелось бы еще больше: о мотивации, o ключевом слове restrict, опциях сборки. Завтра более подробно расскажу, почему в стандарте появилось это правило strict aliasing и что оптимизирует компилятор.

#cppcore #compiler #optimization