为什么两个相同的指针与 -O1 比较不相等？

Question

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a, b;
    int *p = &a;

#ifdef __clang__
    int *q = &b + 1;
#elif __GNUC__
    int *q = &b - 1;
#endif

    printf("%p %p %d\n", (void *)p, (void *)q, p == q);
}

C11 § 6.5.9 \ 6 说

两个指针比较相等当且仅当它们都是空指针，都是指向同一个对象的指针（包括指向一个对象的指针和它开头的子对象）或函数，都是指向同一数组最后一个元素之后的指针对象，或者一个是指向一个数组对象末尾的指针，另一个是指向另一个数组对象开头的指针，该对象恰好紧跟地址空间中的第一个数组对象。

我已经通过四种不同的方式对其进行了测试：

1. Clang 9.0.1 带-01选项；
2. Clang 9.0.1 没有任何选项；
3. GCC 9.2.0 带-01选项；
4. GCC 9.2.9 没有任何选项。

结果如下：

$ ./prog_clang
0x7ffebf0a65d4 0x7ffebf0a65d4 1
$ ./prog_clang_01
0x7ffd9931b9bc 0x7ffd9931b9bc 1
$ ./prog_gcc
0x7ffea055a980 0x7ffea055a980 1
$ ./prog_gcc_01
0x7fffd5fa5490 0x7fffd5fa5490 0

在这种情况下，正确的行为是什么？

Answer 1

在这种情况下，正确的行为是什么？

空无一人。比较指向或超过两个完全不相关对象的末尾的指针是未定义的行为。

根据C11 标准的脚注 109（粗体是我的）：

两个对象在内存中可能是相邻的，因为它们是较大数组的相邻元素或结构的相邻成员，它们之间没有填充，或者因为实现选择这样放置它们，即使它们不相关。如果先前的无效指针操作（例如数组边界外的访问）产生未定义行为，则后续比较也会产生未定义行为。

Answer 2

两个指针比较相等当且仅当两者都是空指针时，

他们不是空的

两者都是指向同一对象的指针（包括指向对象的指针和位于其开头的子对象）或函数

它们不指向同一个对象，也不是子对象，也不是函数

两者都是指向同一数组对象最后一个元素的指针，

它们不是指向数组元素的指针。

或者一个是指向一个数组对象末尾的指针，另一个是指向另一个数组对象开始的指针，该对象恰好紧跟在地址空间中的第一个数组对象之后。

它们不是指向数组元素的指针。

因此，根据标准，您的指针不符合相等比较的要求，并且不应该进行相等比较。

现在，在您的测试中，在前三种情况下，指针实际上比较相等。可以说编译器没有严格遵守标准，因为标准说“当且仅当”，但正如您所见，不带 -O1 的 clang 和 gcc 表现得好像标准说“如果”而没有“和”只有当”部分。编译器只是不尝试采取额外措施来确保“且仅当”部分得到尊重，因此他们允许指针比较相等，这纯粹是巧合，尽管事实上根据标准，它们不应该。

由于这纯粹是巧合，在最后一种情况下，由于与编译器的优化实现有关的许多未知原因，这种巧合不再成立。编译器可能已经决定颠倒堆栈中变量的顺序，或者让它们彼此远离，或者谁知道是什么。