数组元素引用是否会别名整个数组？编译器重加载问题探究

背景回顾 #

当使用指向数组元素的非const指针时，编译器无法确定该指针是否会修改数组的其他元素，因此在调用可能修改数组的函数后，必须从内存重新加载之前缓存到寄存器的数组元素。示例代码如下：

void use_value(int* a) {
  a[1] = 2; // 修改指针指向的数组
}
void do_thing() {
  int a[] = {1, 2, 3};
  calculate(a[1]); // 使用a[1]的值，可能被存入寄存器
  use_value(&a[0]);
  calculate(a[1]); // 编译器必须从内存重新加载a[1]
}

技术问题解答 #

1. 使用数组元素的引用时，编译器是否仍需重新加载数组元素？ #

是的，编译器同样需要重新加载a[1]。
虽然C++标准将引用定义为对象的别名，但编译器仅通过use_value(int& a)的函数签名，无法判断函数内部是否会通过引用的地址访问并修改数组的其他元素。当do_thing把a[0]的引用传入use_value后，编译器必须做最坏假设——use_value可能修改了a[1]，因此第二次调用calculate(a[1])时，不能依赖之前存在寄存器中的旧值，必须从内存重新加载。

2. (&a)[1] = 2是否属于未定义行为？ #

不属于未定义行为。
这里的a是int&类型的引用，&a会获取该引用绑定对象的指针——也就是指向原数组a[0]的int*指针。由于数组在内存中是连续存储的，(&a)[1]等价于*(&a + 1)，也就是访问原数组的第二个元素a[1]。原数组a有3个元素，索引1是合法的，因此这段代码的行为是明确且合法的。

注意：如果引用绑定的不是数组元素，而是单个独立变量，那么(&a)[1]会访问超出变量内存范围的区域，此时才会触发未定义行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者ayaan098