Question

我有一个内存为64位的类。为了实现相等性，我使用了reinterpret_cast<uint64_t*>，但它在gcc 7.2（而不是clang 5.0）上产生了这个警告：

$ g++ -O3 -Wall -std=c++17 -g -c example.cpp 
example.cpp: In member function ‘bool X::eq_via_cast(X)’:
example.cpp:27:85: warning: dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing rules [-Wstrict-aliasing]
     return *reinterpret_cast<uint64_t*>(this) == *reinterpret_cast<uint64_t*>(&x);                                                                                     ^

根据我的理解，除非您要转换为实际类型或char*，否则强制转换是未定义的行为。例如，在加载值时可能存在体系结构特定的布局限制。这就是我尝试其他方法的原因。

以下是简化版（link to godbolt）的源代码：

#include <cstdint>
#include <cstring>

struct Y
{
    uint32_t x;
    bool operator==(Y y) { return x == y.x; }
};

struct X
{
    Y a;
    int16_t b;
    int16_t c;

    uint64_t to_uint64() {
        uint64_t result;
        std::memcpy(&result, this, sizeof(uint64_t));
        return result;
    }

    bool eq_via_memcpy(X x) {
        return to_uint64() == x.to_uint64();
    }

    bool eq_via_cast(X x) {
        return *reinterpret_cast<uint64_t*>(this) == *reinterpret_cast<uint64_t*>(&x);
    }

    bool eq_via_comparisons(X x) {
        return a == x.a && b == x.b && c == x.c;
    }
};
static_assert(sizeof(X) == sizeof(uint64_t));

bool via_memcpy(X x1, X x2) {
    return x1.eq_via_memcpy(x2);
}

bool via_cast(X x1, X x2) {
    return x1.eq_via_cast(x2);
}

bool via_comparisons(X x1, X x2) {
    return x1.eq_via_comparisons(x2);
}

通过memcpy显式复制数据来避免强制转换可以防止出现警告。据我了解，它也应该是便携式的。

查看汇编程序（带有-std=c++17 -O3的gcc 7.2），memcpy完美优化，而直接的比较导致代码效率降低：

via_memcpy(X, X):
  cmp rdi, rsi
  sete al
  ret

via_cast(X, X):
  cmp rdi, rsi
  sete al
  ret

via_comparisons(X, X):
  xor eax, eax
  cmp esi, edi
  je .L7
  rep ret
.L7:
  sar rdi, 32
  sar rsi, 32
  cmp edi, esi
  sete al
  ret

与clang 5.0（-std=c++17 -O3）非常相似：

via_memcpy(X, X): # @via_memcpy(X, X)
  cmp rdi, rsi
  sete al
  ret

via_cast(X, X): # @via_cast(X, X)
  cmp rdi, rsi
  sete al
  ret

via_comparisons(X, X): # @via_comparisons(X, X)
  cmp edi, esi
  jne .LBB2_1
  mov rax, rdi
  shr rax, 32
  mov rcx, rsi
  shr rcx, 32
  shl eax, 16
  shl ecx, 16
  cmp ecx, eax
  jne .LBB2_3
  shr rdi, 48
  shr rsi, 48
  shl edi, 16
  shl esi, 16
  cmp esi, edi
  sete al
  ret
.LBB2_1:
  xor eax, eax
  ret
.LBB2_3:
  xor eax, eax
  ret

从这个实验中看，memcpy版本似乎是代码性能关键部分的最佳方法。

问题：

我的理解是否正确memcpy版本是可移植的C ++代码？
假设编译器能够像本例中那样优化memcpy调用是否合理？
我忽略了更好的方法吗？

更新

正如UKMonkey所指出的，memcmp在进行按位比较时更自然。它还可以编译为相同的优化版本：

bool eq_via_memcmp(X x) {
    return std::memcmp(this, &x, sizeof(*this)) == 0;
}

这是updated godbolt link。也应该是可移植的（sizeof(*this)是64位），所以我认为它是迄今为止最好的解决方案。

Answer 1

在C ++ 17中，可以结合使用memcmp和has_unique_object_representations：

bool eq_via_memcmp(X x) {
    static_assert(std::has_unique_object_representations_v<X>);
    return std::memcmp(this, &x, sizeof(*this)) == 0;
}

编译器应该能够将其优化为一个比较（godbolt link）：

via_memcmp(X, X):
  cmp rdi, rsi
  sete al
  ret

静态断言确保类X不包含填充位。否则，比较两个逻辑上等效的对象可能会返回false，因为填充位的内容可能有所不同。在这种情况下，在编译时拒绝该代码会更安全。

（注意：大概C ++ 20会添加std::bit_cast，可以用作memcmp的替代品。但是，您仍然必须确保不涉及相同的填充原因。）

gcc：通过显式memcpy避免严格别名违规警告

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