[C++知识库][C++]踩坑日记：内存别名

内存别名：指的是引用同一处地址的多个不同指针变量。

1. 常规的变量交换方式如下：

void swap(int *a, int* b){
	int tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

不使用临时变量的两种交换方式：

void swap_xor(int *a, int* b){ // 异或方式
	*a = *a ^ *b;
	*b = *a ^ *b;
	*a = *b ^ *a;
}

void swap_add(int *a, int* b){ // 求和方式
	*a = *a + *b;
	*b = *a - *b;
	*a = *a ^ *b;
}

这两种方式并不高端，不但增加了代码阅读难度同时可能产生某些问题，如下。

int main() {
    int num1 = 1, num2 = 2;
	
	swap(&num1, &num2); 
	cout<<"num1="<<num1<<", num2="<<num2<<endl; // 2,1
	swap_xor(&num1, &num2);
	cout<<"num1="<<num1<<", num2="<<num2<<endl;// 1,2
	swap_add(&num1, &num2);
	cout<<"num1="<<num1<<", num2="<<num2<<endl;// 2,1

	swap(&num1, &num1); 
	cout<<"num1="<<num1<<", num2="<<num2<<endl; // 2,1 原值交换，保持不变
	swap_xor(&num1, &num1);
	cout<<"num1="<<num1<<", num2="<<num2<<endl;// 0,2 原值改变
	swap_add(&num1, &num1);
	cout<<"num1="<<num1<<", num2="<<num2<<endl;// 0,1 原值改变
}

原因推导(前提a==b)

void swap_xor(int* a, int* b) {
   *a = *a ^ *b;  // => *a = *b = *a ^ *b = 0
   *b = *a ^ *b;  // => *a = *b = *a ^ *b = 0
   *a = *a ^ *b;  // => *a = *b = *a ^ *b = 0
}
void swap_add(int* a, int* b) {
   *a = *a + *b; // => *a = *b = *a + *b = 2 * *a
   *b = *a - *b; // => *a = *b = *a - *b = *a - *a = 0
   *a = *a - *b; // => *a = *b = *a - *b = 0 
}

2. 类似的情况，数组求和

一般的数组求和方式都会像下面这么写，但是编译器无法进行优化，每次不但要读取arr内存地址，还要从target内存地址读取和写入。

void sum(int* arr, int length, int* target){
	for(int i = 0; i < length; i++){
		*target += arr[i];
	}
}

优化方式：局部变量临时存储。这样编译器会将结果暂存到寄存器中，因为res变量可以放到寄存器中，每次只需要读取arr内存地址即可。

void sum_advance(int* arr, int length, int* target){
	int res = *target;
	for(int i = 0; i < length; i++){
		res += arr[i];
	}
	*target = res;
}

引发问题：当arr和target地址一致的时候，内存别名引发问题。
这也是第一种方法哪怕编译器加上优化参数-O1也不可能将结果暂存寄存器的，因为会造成与程序逻辑不符，虽然符合编程意图。

int main() {
    int arr[5] = {1,2,3,4,5};
	int* target = arr+2;
	sum_advance(arr,5,target); // 18，期望15
	cout<< *target <<endl;
}

c99中引入了restrict关键字，表明能够更改指针指向内容的只有该变量一个。那么sum函数将可以得到优化，本身在循环体里面target就没有进行写入，同时restrict保证了只能target写入，那么加上-O1参数可以得到优化。

void sum(int* restrict arr, int length, int* restrict target){
	for(int i = 0; i < length; i++){
		*target += arr[i];
	}
}