为什么编译器不优化琐碎的包装器函数指针？

Question

考虑下面的代码片段

#include <vector>
#include <cstdlib>

void __attribute__ ((noinline)) calculate1(double& a, int x) { a += x; };
void __attribute__ ((noinline)) calculate2(double& a, int x) { a *= x; };
void wrapper1(double& a, int x) { calculate1(a, x); } 
void wrapper2(double& a, int x) { calculate2(a, x); } 

typedef void (*Func)(double&, int);

int main()
{
    std::vector<std::pair<double, Func>> pairs = {
        std::make_pair(0, (rand() % 2 ? &wrapper1 : &wrapper2)),
        std::make_pair(0, (rand() % 2 ? &wrapper1 : &wrapper2)),
    };

    for (auto& [a, wrapper] : pairs)
        (*wrapper)(a, 5);

    return pairs[0].first + pairs[1].first;
}

通过-O3优化，最新的gcc和clang版本没有优化指向包装器的指针、指向底层函数的指针。参见第22行的组装：

mov     ebp, OFFSET FLAT:wrapper2(double&, int)   # tmp118,

在后面的call+JMP中，编译器将指针放置到calculate1，而不只是call。

编辑2。同样模式的更简单的例子：

#include <vector>
#include <cstdlib>

typedef void (*Func)(double&, int);

static void __attribute__ ((noinline)) calculate(double& a, int x) { a += x; };
static void wrapper(double& a, int x) { calculate(a, x); } 

int main() {
    double a = 5.0;
    Func f;
    if (rand() % 2)
        f = &wrapper; // f = &calculate;
    else
        f = &wrapper;
    f(a, 0); 
    return 0;
}

gcc 8.2通过抛出指向包装器的指针并将&calculate直接存储在其位置（https://gcc.godbolt.org/z/nmibeo）成功地优化了这段代码。然而，按照注释更改代码行（即手动执行相同优化的一部分）打破了这种魔力，并导致毫无意义的JMP。

Answer 1

您似乎建议将&calculate1而不是&wrapper1存储在向量中。通常，这是不可能的：以后的代码可能会尝试将存储的指针与&calculate1进行比较，结果必须比较为false。

我进一步假设您的建议是，编译器可能会尝试做一些静态分析，并确定向量中的函数指针值从未与其他函数指针进行相等性比较，事实上，对向量元素所做的其他操作都不会产生可观察行为的变化；因此，在这个精确的程序中，它可以存储&calculate1。

通常，对于“为什么编译器不执行某些特定的优化”的回答是，没有人设想并实现过这个想法。另一个常见的原因是，在一般情况下，所涉及的静态分析相当困难，可能会导致编译速度放缓，而在无法保证分析成功的实际程序中没有任何好处。