GCC 5.1 循环展开

Question

以下是代码

#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
  int k = 0;
  for( k = 0; k < 20; ++k )
  {
    printf( "%d\n", k ) ;
  }
}

使用 GCC 5.1 或更高版本

-x c -std=c99 -O3 -funroll-all-loops --param max-completely-peeled-insns=1000 --param max-completely-peel-times=10000

部分循环展开，它将循环展开十次，然后进行条件跳转。

.LC0:
        .string "%d\n"
main:
        pushq   %rbx
        xorl    %ebx, %ebx
.L2:
        movl    %ebx, %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    1(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    2(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    3(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    4(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    5(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    6(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    7(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    8(%rbx), %esi
        movl    $.LC0, %edi
        xorl    %eax, %eax
        call    printf
        leal    9(%rbx), %esi
        xorl    %eax, %eax
        movl    $.LC0, %edi
        addl    $10, %ebx
        call    printf
        cmpl    $20, %ebx
        jne     .L2
        xorl    %eax, %eax
        popq    %rbx
        ret

但是使用较旧版本的GCC（如4.9.2）可以创建所需的汇编代码

.LC0:
    .string "%d\n"
main:
    subq    $8, %rsp
    xorl    %edx, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $1, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $2, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $3, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $4, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $5, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $6, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $7, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $8, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $9, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $10, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $11, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $12, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $13, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $14, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $15, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $16, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $17, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $18, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    movl    $19, %edx
    movl    $.LC0, %esi
    movl    $1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    __printf_chk
    xorl    %eax, %eax
    addq    $8, %rsp
    ret

有没有一种方法可以强制较新版本的GCC生成相同的输出？

使用https://godbolt.org/g/D1AR6i生成汇编代码。

编辑：没有重复的问题，因为在较新版本的GCC中完全展开循环的问题尚未得到解决。传递--param max-completely-peeled-insns=1000 --param max-completely-peel-times=10000对生成的汇编代码没有影响，这是在GCC >= 5.1中发生的。

- surrz

---

有趣的是，如果您将for条件更改为例如k < 9，则不会执行展开操作... - LPs

@LPs 使用 GCC 4.9.2，展开循环对于少于9次迭代也有效。https://godbolt.org/g/ZPlCP6 - surrz

@surrz 是的，我在谈论GCC 5.1版本。 - LPs

可能是 GCC 5.1 完全展开循环 的重复问题。 - Artur Kink

@surrz: 你可以接受我的答案或者至少对它有些反应吗？就好像你完全忽略了它似的 :-) - Pyves

Answer 1

您正在使用的标志和参数不能保证循环完全展开。 GCC文档针对您使用的-funroll-all-loops标志说明如下：

打开完全循环剥离（即完全删除具有小常数迭代次数的循环）

如果编译器决定给定代码段的迭代次数不是“小常数”（即数字太高），则它可能仅执行部分剥离或展开，就像它在这里所做的一样。此外，您使用的param选项只是最大值，但不会强制展开小于设置值的循环。换句话说，如果循环的迭代次数超过您设置的最大值，则该循环将无法完全展开；反之则不成立。

进行优化时要考虑许多因素。在此处，您代码的瓶颈是对printf函数的调用，编译器在进行成本计算时可能会考虑到这一点，或者判断展开指令的大小开销太重要。尽管您告诉它展开循环，但它似乎确定最佳解决方案是将初始循环转换为10个展开和一个跳转。

如果您将printf替换为其他内容，则编译器可能会有所不同的优化。例如，请尝试将其替换为以下内容：

volatile int temp = k;

这个新的代码片段中的循环在较新版本的GCC（以及较旧版本）上将被完全展开。请注意，volatile关键字只是一个技巧，用于防止编译器完全优化掉循环。

总之，据我所知，没有办法强制较新版本的GCC产生相同的输出结果。

另外补充一下，从优化级别-O2开始，在没有任何额外的编译器标志的情况下，近期的Clang会完全展开您的循环。

- Pyves