printf(str) 和 fwrite(str, 1, strlen(str), stdout) 之间是否有任何可观察的区别？

Question

当打印静态的、没有格式的字符串时，C 编译器通常会执行一些优化，将类似于 printf("foobar\n"); 的调用转换为等效的 puts("foobar");。只要不使用返回值就可以这样做（C 指定printf在成功时返回写入的字符数，但是puts仅在成功时返回非负值）。C 编译器还会将类似于 fprintf(stdout, "foobar") 的调用转换为 fwrite("foobar", 1, 6, stdout)。

然而，printf 到 puts 的优化仅适用于字符串以换行符结尾的情况，因为 puts 会自动添加一个换行符。如果没有换行符，我期望 printf 可以被优化为等效的 fwrite，就像 fprintf 那样——但是似乎编译器并不这样做。例如，下面的代码（Godbolt链接）：

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("test1\n");
    printf("test2");
    fprintf(stdout, "test3");
}

在汇编语言中，gets被优化为以下调用序列：

puts("test1");
printf("test2");
fwrite("test3", 1, 5, stdout);

我的问题是：在没有终止换行符的情况下，为什么编译器不会将printf优化为fwrite或类似函数？这只是一种被忽视的优化，还是printf和fwrite在使用静态、无格式字符串时存在语义差异？如果相关，请提供适用于C11或任何更新标准的答案。

- nneonneo

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“为什么编译器不优化…” 更像是 “为什么我测试的几个（1或2个）编译器没有进行优化…”。 - chux - Reinstate Monica

我认为 fprintf(stdout, "test3"); 和 fwrite("test3", 1, 5, stdout); 相比于 printf("test3"); 没有什么理由，除了前者使用了 stdout。 - chux - Reinstate Monica

只是猜测，但我怀疑编译器优化的这个领域已经很多年没有重新审视过了。我似乎记得（不正确地）gcc对没有'\n'的文字常量进行了fputs()优化。但在从gcc 7到11的测试后，没有进行这样的优化。printf-> puts等的汇编优化似乎是基础编译器选择，不受-Ox优化级别选择的影响。 - David C. Rankin

我记得write可以绕过puts和printf所做的缓冲。 - stark

@stark：POSIX的write可以，但标准C的fwrite不行。 - Nate Eldredge

Answer 1

这只是一个错过的优化，没有理由为什么编译器不能执行您想象的转换，但它是一种有动机的。对于编译器来说，将对printf的调用转换为对puts的调用要容易得多，而将对fputs或fwrite的调用转换为对stdout的调用则需要编译器提供stdout作为参数。 stdout是一个宏，在编译器完成库函数调用优化时，可能不再有宏定义（即使预处理器已经集成）或者可能无法将记号序列解析为AST片段。

相比之下，编译器可以很容易地将fprintf转换为fputs，因为它可以使用传递给fprintf的FILE*参数来调用fputs。但我不会对能够将fprintf(stdout, "blah\n")转换为fputs("blah\n", stdout)但不能将其转换为puts("blah")的编译器感到惊讶...因为它无法知道此fprintf调用的第一个参数是否为stdout（请记住，此优化传递的是等效于&_iob[1]或类似的IR）。

- zwol