这是一个错过的优化机会还是不是？

Question

我发布了this的答案。代码：

#include <atomic>
#include <utility>
void printImpl(...);

std::atomic<bool> printLog = false;

class Log {
 public:
  template <typename T>
  const auto& operator<<(T&& t) {
    if (printLog) {
      ulog.active = true;
      return ulog << std::forward<T>(t);
    } else {
      ulog.active = false;
      return ulog;
    }
  }

 private:
  struct unchecked_log {
    template <typename T>
    const auto& operator<<(T&& t) const {
      if (active) {
        printImpl(std::forward<T>(t));
      }
      return *this;
    }
    bool active{false};
  };
  unchecked_log ulog{};
};

// Instead of the macro. Doesn't break backward compatibility
Log LOG;

void test(bool) { LOG << 1 << 2 << 3 << 4 << 5 << 6 << 7 << 8 << 9 << 10; }

本质上，代码要么忽略所有数据，要么记录所有数据。这个想法是将 atomic<bool> 记录在一个普通的 bool 中，以便更容易地进行优化。我认为大多数编译器可以轻松地优化掉 if (active) 部分，因为它在调用之间没有改变的方式。结果发现，大多数编译器确实内联了对 unchecked_log::operator<<函数的调用，但并未优化掉分支。是否有什么东西阻止了这种优化？这样做是否合法？

- Ayxan Haqverdili

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Log::operator << 依赖于全局变量 printLog。如果你真的不能改变它，编译器会期望使用常量。而且这是同一个 ulog 对象，我认为标准可能会禁止 ulog::operator << 的这种“优化”，例如如果有两个线程怎么办？ - Fire Lancer

Answer 1

LOG是一个具有外部链接的全局变量。因此，另一个翻译单元中printImpl的定义可以访问它，并且在调用之间可能修改LOG.ulog.active。

将LOG变成test中的局部变量，这样重复的检查就会在进入test时合并为一个检查，或者保留LOG在原地并使其成为static，以便包含printImpl定义的不同编译单元无法访问该翻译单元的实例。

如下评论所述，或者让operator<<返回一个副本，这样它返回的实例（现在是临时的）对于printImpl来说是无法访问的。

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请注意，ulog和ulog.active的可访问性（private等）并不重要。只要printImpl能够获得指向相关实例的指针或引用，private就无法保护免受修改。以下是一些可能的情况示例（非详尽）：

1. 调用LOG上的operator<<，它可能会根据printLog的干预修改LOG.ulog.active或通过const_cast结果进行修改
2. 调用默认的复制/移动赋值运算符
3. （由于这是一个标准布局类）将LOG重新解释为其ulog成员的引用
4. （由于类是可平凡复制的）将不同状态的memcpy到LOG中
5. 将新的Log实例放置在LOG中，这将使以前的引用自动引用新对象，因为Log满足该条件
6. 等等。

- walnut

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@walnut 我认为 reinterpret_cast 方法不会起作用，因为 Log::unchecked_log 是一个私有类，所以无法在 reinterpret_cast<Log::unchecked_log*>(&LOG) 中命名它，因此 const_cast 方法是唯一可以防止优化的方法。 - Ayxan Haqverdili

如果您返回值或使用没有外部链接的 LOG，那么 printImpl 就无法获取与实例相关的引用，因此它不能使用。这些假设是针对您继续使用具有外部链接的全局 LOG.ulog 的情况而言的。因此，优化是有效的。 - walnut

@Ayxan 是的，printImpl 可以修改 LOG.ulog.active，但这不是你在 test 中一直使用的。第一个 << 返回另一个 unchecked_log 实例（按值返回），然后在 LOG << ... 表达式中作为临时对象显式，并在其上调用其他 <<。如果您没有明确地将引用传递给它，printImpl 将无法访问此临时实例。 - walnut

@JesperJuhl 当我有一对函数，其中一个接受const指针并返回另一个相关的const指针，另一个接受非const指针并返回类似的非const指针时，我会写const_cast。非const函数调用const函数，并将结果进行const转换。没有伤害小猫。 - Martin Bonner supports Monica

@Ayxan 注意，由于您在构造返回值之前首先调用了printImpl，因此实际上会有两个分支（请参见汇编代码）。这并不是完全最优的。为了使其最优化，您应该首先复制ulog，然后稍后返回它，或者将ulog完全局部化到Log的operator<<重载中。 - walnut