为什么修改另一个变量引用的字段会导致意外行为？

Question

我写的这段代码乍一看很简单。它修改引用变量所引用的变量，然后返回引用的值。重现奇怪行为的简化版本如下所示：

#include <iostream>
using std::cout;

struct A {
    int a;
    int& b;

    A(int x) : a(x), b(a) {}
    A(const A& other) : a(other.a), b(a) {}
    A() : a(0), b(a) {}
};

int foo(A a) {
    a.a *= a.b;
    return a.b;
}


int main() {
    A a(3);

    cout << foo(a) << '\n';
    return 0;
}

但是，当它在启用优化 (g++ 7.5) 的情况下编译时，它产生的输出与未优化的代码不同（即 9 没有优化 - 符合预期，3 启用了优化）。

我知道volatile 关键字，它可以防止编译器在存在某些副作用（例如异步执行和特定于硬件的东西）的情况下进行重新排序和其他优化，并且在这种情况下也有帮助。

但是，我不明白为什么我需要在这种特殊情况下将引用 b 声明为 volatile？这段代码的错误来源在哪里？

Answer 1

我找不到关于标准的 UB 来源。在我看来，这就像优化器的一个错误，它不会注意到 a.b 和 a.a 都引用同一个对象：

• 首先，foo() 在副本上工作。我把foo()改成引用传递，一致得到了预期的结果。我怀疑引用的初始化存在问题。但是提供的复制构造函数可以正确处理a.b。

• 然后我怀疑某些 UB 与同一表达式中不确定顺序操作的副作用有关。但是对*=的lhs的副作用是在rhs之后排序的，所以这里也没有UB。

• 在*= 语句之后添加一些日志记录使其意外地按预期工作。这看起来很奇怪：看起来像不遵守严格别名约束时遇到的常见问题，即当编译器没有意识到指向的对象被修改并优化代码时，就好像值没有改变一样。在这种情况下，额外的代码会导致重新加载正确的值并找到不同的结果并不罕见。

• 但是这里没有别名问题，因为原始成员和对它的引用都基于相同的类型。

当你消除了不可能的事情后，剩下的无论多么不可能，都必须是事实。
- 阿瑟·柯南·道尔爵士

在消除了 OP 代码中的 bug 和 UB 之后，唯一剩下的可能性就是优化器中的 bug。优化器似乎没有注意到 a.a 和 a.b 是同一个对象，并且它只是重用了 a.b 的最新已知值，该值已经在寄存器中。