为什么C编译器不优化结构数据成员的读写，而不是不同的局部变量？

Question

我正在尝试创建一些POD值的本地数组（例如，double），其中包含编译时已知的固定max_sizevalue（size

问题是，当arr和大小被放入同一个结构/类中时，为什么编译器不消除堆栈读取和写入，而不是arr和size是独立的局部变量的情况？

这是我的代码：

#include <cstddef>
constexpr std::size_t max_size = 64;

extern void process_value(double& ref_value);

void test_distinct_array_and_size(std::size_t size)
{
    double arr[max_size];
    std::size_t arr_size = size;

    for (std::size_t i = 0; i < arr_size; ++i)
        process_value(arr[i]);
}

void test_array_and_size_in_local_struct(std::size_t size)
{
    struct
    {
        double arr[max_size];
        std::size_t size;
    } array_wrapper;
    array_wrapper.size = size;

    for (std::size_t i = 0; i < array_wrapper.size; ++i)
        process_value(array_wrapper.arr[i]);
}

带有-O3的Clang中的< code > test _ distinct _ array _ and _ size 的汇编输出:

test_distinct_array_and_size(unsigned long): # @test_distinct_array_and_size(unsigned long)
  push r14
  push rbx
  sub rsp, 520
  mov r14, rdi
  test r14, r14
  je .LBB0_3
  mov rbx, rsp
.LBB0_2: # =>This Inner Loop Header: Depth=1
  mov rdi, rbx
  call process_value(double&)
  add rbx, 8
  dec r14
  jne .LBB0_2
.LBB0_3:
  add rsp, 520
  pop rbx
  pop r14
  ret

< code > test _ array _ and _ size _ in _ local _ struct 的程序集输出:

test_array_and_size_in_local_struct(unsigned long): # @test_array_and_size_in_local_struct(unsigned long)
  push r14
  push rbx
  sub rsp, 520
  mov qword ptr [rsp + 512], rdi
  test rdi, rdi
  je .LBB1_3
  mov r14, rsp
  xor ebx, ebx
.LBB1_2: # =>This Inner Loop Header: Depth=1
  mov rdi, r14
  call process_value(double&)
  inc rbx
  add r14, 8
  cmp rbx, qword ptr [rsp + 512]
  jb .LBB1_2
.LBB1_3:
  add rsp, 520
  pop rbx
  pop r14
  ret

最新的GCC和MSVC编译器对栈的读写做了基本相同的事情。

如我们所见，读取并写入array_wrapper。在后一种情况下，堆栈上的size变量不会被优化掉。在循环开始之前，size值被写入位置[rsp 512]迭代之后，从该位置读取。

因此，编译器有点希望我们修改array_wrapper。processvalue（array_wrapper.arr[i]）调用中的size

但是，如果我们从那个电话中尝试这样做，那难道不是未定义的行为吗？

当我们以以下方式重写循环时

for (std::size_t i = 0, sz = array_wrapper.size; i < sz; ++i)
    process_value(array_wrapper.arr[i]);

每次迭代结束时，那些不必要的读取将会消失。但是对< code>[rsp 512]的初始写入将会保留，这意味着编译器仍然希望我们能够从这些< code>process_value调用中访问该位置的< code>array_wrapper.size变量(通过执行一些基于偏移量的奇怪操作)。

为什么？

这只是现代编译器实现中的一个小缺点吗（希望很快就会得到修复）？或者C标准确实需要这样的行为，当我们将数组及其大小放入同一个类时，这种行为会导致生成效率较低的代码吗？

附言

我意识到我上面的代码示例可能看起来有点人为的。但请考虑一下：我想在我的代码中使用一个轻量级的boost：：container：：static_vector类模板，以便使用POD元素的伪动态数组进行更安全，更方便的“C风格”操作。因此，我的 POD 矢量将包含同一类中的数组和size_t：

template<typename T, std::size_t MaxSize>
class PODVector
{
    static_assert(std::is_pod<T>::value, "T must be a POD type");

private:
    T _data[MaxSize];
    std::size_t _size = 0;

public:
    using iterator = T *;

public:
    static constexpr std::size_t capacity() noexcept
    {
        return MaxSize;
    }

    constexpr PODVector() noexcept = default;

    explicit constexpr PODVector(std::size_t initial_size)
        : _size(initial_size)
    {
        assert(initial_size <= capacity());
    }

    constexpr std::size_t size() const noexcept
    {
        return _size;
    }

    constexpr void resize(std::size_t new_size)
    {
        assert(new_size <= capacity());
        _size = new_size;
    }

    constexpr iterator begin() noexcept
    {
        return _data;
    }

    constexpr iterator end() noexcept
    {
        return _data + _size;
    }

    constexpr T & operator[](std::size_t position)
    {
        assert(position < _size);
        return _data[position];
    }
};

用法：

void test_pod_vector(std::size_t size)
{
    PODVector<double, max_size> arr(size);

    for (double& val : arr)
        process_value(val);
}

如果上面描述的问题确实是由C标准强制的（并且不是编译器编写者的错），这样的PODVector将永远不会像原始使用数组和大小的“不相关”变量那样有效。这对于C作为一种想要零开销抽象的语言来说是非常糟糕的。

Answer 1

这是因为< code>void process_value(double

编译器假设，因为< code>array和< code>size是同一个对象的成员，所以< code>array_wrapper函数< code>process_value可能会将对第一个元素的引用(在第一次调用时)转换为对该对象的引用(并将其存储在其他地方)，并将该对象转换为< code>unsigned char并读取或替换其整个表示形式。因此在函数返回后，对象的状态必须从内存中重新加载。

当 size 是堆栈上的独立对象时，编译器/优化器假定没有其他对象可能具有对它的引用/指针，并将其缓存在寄存器中。

在Chandler Carruth:优化C语言的涌现结构中，他解释了为什么优化器在调用接受引用/指针参数的函数时会有困难。仅在绝对必要时使用引用/指针函数参数。

如果您想更改值，更高性能的选项是：

double process_value(double value);

然后：

array_wrapper.arr[i] = process_value(array_wrapper.arr[i]);

此更改导致最佳装配：

.L23:
movsd xmm0, QWORD PTR [rbx]
add rbx, 8
call process_value2(double)
movsd QWORD PTR [rbx-8], xmm0
cmp rbx, rbp
jne .L23

或者：

for(double& val : arr)
    val = process_value(val);