3.2 别名

译文 · 基于 The Rustonomicon

别名

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/aliasing.html

　　首先，先把几个重要前提说清楚：

• 为便于讨论，我们采用 alias（别名）最宽泛的定义。Rust 的定义可能会更受限，以纳入 mutation（变更）与 liveness（存活期）。

• 我们假定单线程、无中断的执行，并忽略内存映射硬件等。Rust 假定这些情况不会发生，除非你另有说明。更多细节见并发一章。

　　在此前提下，工作定义如下：若变量与指针指向重叠的内存区域，则它们互为别名。

别名为何重要

　　那我们为何要在意 alias？

　　考虑这个简单函数：

1
2
3
4
5
6
7
8
9

fn compute(input: &u32, output: &mut u32) {
    if *input > 10 {
        *output = 1;
    }
    if *input > 5 {
        *output *= 2;
    }
    // 记住：若 `input > 10`，`output` 将为 `2`
}

　　我们希望能把它优化成：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11

fn compute(input: &u32, output: &mut u32) {
    let cached_input = *input; // 把 `*input` 缓存在寄存器中
    if cached_input > 10 {
        // 若输入大于 10，原代码会先把 output 设为 1 再翻倍，
        // 结果为 2（因为 `>10` 蕴含 `>5`）。
        // 这里避免两次赋值，直接设为 2。
        *output = 2;
    } else if cached_input > 5 {
        *output *= 2;
    }
}

　　在 Rust 中，此优化应是健全（sound）的。对几乎所有其他语言则不然（除非做全局分析）。因为优化依赖知道不存在 alias，而多数语言对此相当宽松。具体地，我们须担心使 input 与 output 重叠的实参，例如 compute(&x, &mut x)。

　　对该输入，可能出现如下执行：

                    //  input ==  output == 0xabad1dea
                    // *input == *output == 20
if *input > 10 {    // true  (*input == 20)
    *output = 1;    // 也覆盖 *input，因为二者相同
}
if *input > 5 {     // false (*input == 1)
    *output *= 2;
}
                    // *input == *output == 1

　　我们的优化函数对该输入会产生 *output == 2，故优化正确性依赖该输入不可能出现。

　　在 Rust 中我们知道该输入应不可能，因为 &mut 不允许 alias。故可安全排除其可能性并做此优化。在多数其他语言中，该输入完全可能，必须考虑。

　　这就是 alias 分析重要的原因：它让编译器做有用优化！例如：

• 通过证明无指针访问某值内存，把值保留在寄存器中
• 通过证明自上次读取后某内存未被写入，消除读取
• 通过证明某内存在下次写入前从未被读，消除写入
• 通过证明读写互不依赖，移动或重排读写

　　这些优化也往往会证明更大优化的健全性，如循环向量化、常量传播、死代码消除。

　　上一例中，我们利用 &mut u32 不能 alias 证明对 *output 的写入不可能影响 *input，从而把 *input 缓存在寄存器、消除一次读取。

　　通过缓存该读取，我们知道 > 10 分支的写入不会影响是否走 > 5 分支，从而在 *input > 10 时也可消除读-改-写（把 *output 翻倍）。

　　alias 分析要记住的关键是：写入是优化的主要隐患。即，阻止我们把读取移到程序任意其他部分的唯一可能是：可能与同一位置的写入重排。

　　例如，下面修改版函数我们不必担心 alias，因为把对 *output 的唯一写入移到了函数末尾。这允许我们自由重排它之前的 *input 读取：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10

fn compute(input: &u32, output: &mut u32) {
    let mut temp = *output;
    if *input > 10 {
        temp = 1;
    }
    if *input > 5 {
        temp *= 2;
    }
    *output = temp;
}

　　我们仍依赖 alias 分析假定 input 不 alias temp，但证明简单得多：局部变量的值不能被声明它之前已存在的东西 alias。这是每种语言都自由做出的假设，故该版本函数可在任何语言中按我们期望优化。

　　这就是 Rust 将使用的「alias」定义很可能涉及 liveness 与 mutation 的原因：若没有实际内存写入，我们实际上并不在意是否发生 alias。

　　当然，Rust 的完整 alias 模型还须考虑函数调用（可能修改我们看不见的东西）、裸指针（自身无 alias 要求）与 UnsafeCell（允许通过 & 修改 referent）。