C++20的"寻址限制"有何作用？为何引入该特性？

特性概述 #

C++20为标准库函数引入了寻址限制特性，规则明确如下：

若C++程序显式或隐式尝试获取标准库函数或标准库函数模板实例的指针、引用（针对自由函数和静态成员函数）或成员指针（针对非静态成员函数），且该函数未被指定为可寻址函数，则程序行为未定义（可能格式错误）。

例如以下代码在C17中行为合法，但在C20中会触发未定义行为，甚至直接编译失败：

#include <cmath>
#include <memory>
 
int main()
{
    auto fptr0 = &std::betaf; // 通过一元&运算符取地址
    auto fptr1 = std::addressof(std::betal); // 通过std::addressof取地址
    auto fptr2 = std::riemann_zetaf; // 函数到指针的隐式转换
    auto &fref = std::riemann_zetal; // 绑定函数引用
}

引入该特性的核心原因与收益 #

尽管改动会破坏部分旧代码，但它为标准库实现和语言演进带来了关键价值：

• 解锁激进优化空间：标准库开发者可对非可寻址函数做更多优化，比如将函数完全内联、用编译器内置指令替换实现、甚至在不同上下文生成差异化代码版本。如果允许用户取函数地址，这些优化会被限制——函数指针要求存在固定唯一的函数实体，无法进行灵活的内联或特化。
• 支持标准库的版本迭代：未来标准库可修改非可寻址函数的签名、实现细节，甚至移除部分函数（只要不影响直接调用的代码）。若用户持有这类函数的指针，版本迭代会直接引发兼容性问题，寻址限制则避免了这种强绑定。
• 规范代码依赖：C++20之前，很多用户依赖取标准库函数地址的行为，但标准从未保证所有库函数都能安全取地址。寻址限制只是把之前模糊的未定义行为明确化，强制用户遵循标准规范，避免依赖特定编译器或库的实现细节。
• 提升程序性能：禁止取非可寻址函数的地址后，编译器可更自由地进行内联、常量传播等优化，直接调用这类函数的代码能获得更好的性能表现。

向后兼容的平衡设计 #

标准委员会在制定规则时已尽量降低对现有代码的冲击：

• 明确标记了可寻址函数列表，这类函数依然允许用户取地址，覆盖了大部分常用API。
• 对于确实需要取函数地址的场景，用户可改用标准提供的替代方案，比如用包装器或自定义适配层，而非直接依赖未被标记的库函数地址。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Benjamin Buch