避免使用内联汇编优化掉变量

Question

我正在阅读在进行基准测试时防止编译器优化，其中描述了Chandler Carruth的演讲CppCon 2015：Chandler Carruth“调整C ++：基准测试，CPU和编译器！哦，我的天啊！”中的和如何影响编译器。

从阅读中，我认为如果我有一个像“g”（val）这样的输入约束条件，则编译器将无法优化掉val。但是在下面的g()中，没有生成任何代码。为什么？

如何重写doNotOptimize()以确保为g()生成代码？

template <typename T>
void doNotOptimize(T const& val) {
  asm volatile("" : : "g"(val) : "memory");
}

void f() {
  char x = 1;
  doNotOptimize(&x);    // x is NOT optimized away
}

void g() {
  char x = 1;
  doNotOptimize(x);     // x is optimized away
}

https://godbolt.org/g/Ndd56K

- Daniel Näslund

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我认为，因为g将值作为const ref传递给doNotOptimize，编译器可以假设x或更好的是val不会改变，因此它可以优化调用。另一方面，f将一个const指针传递给doNotOptimize，所以x确实可能会改变。 - t.niese

同一函数相关的问答：在基准测试时防止编译器优化 / 我不理解DoNotOptimizeAway的定义 / MSVC中“Escape”和“Clobber”的等效性 - Peter Cordes

Answer 1

我应该如何生成g()函数的代码呢？如果您自己编写，会写什么样的代码呢？这是一个非常实际的问题。在从编译器中获取输出之前，您必须决定您期望的输出。

无论如何，让我们来看看您现在拥有的内容。在f()函数中，

void f() {
  char x = 1;
  doNotOptimize(&x);    // x is NOT optimized away
}

你正在获取 x 的 地址，这会防止优化器将其分配到寄存器中。为了使它拥有地址，它必须在内存中分配。但是，在 g() 中，

void g() {
  char x = 1;
  doNotOptimize(x);     // x is optimized away
}

x只是一个本地变量，任何明智的优化器都会将其分配到寄存器中，或者在这种情况下作为常量。这是允许的，因为您从未获取它的地址; 您只使用其值。因此，例如，编译器可能会生成以下代码：

g():
    mov  al, 1      // store 1 in BYTE-sized register AL
    ...

或者在这种情况下根本不生成任何代码，并将变量的任何使用替换为其常量值。

您的doNotOptimize代码，

template <typename T>
void doNotOptimize(T const& val) {
  asm volatile("" : : "g"(val) : "memory");
}

使用g约束条件来处理val参数，表示它可以被存储在通用寄存器、内存或者常量中，取决于优化器选择哪种方式最方便。由于val是一个常量，在此调用被内联时，优化器会将其保留为一个常量。您的“memory”破坏说明符没有任何作用，因为这里没有对内存进行修改。

那么我们该怎么办呢？好吧，我们可以通过使用m约束条件来强制分配内存给变量x，即使它不需要，:

template <typename T>
void doNotOptimize(T const& val) {
  asm volatile("" : : "m"(val) : "memory");
}

void g() {
  char x = 1;
  doNotOptimize(x);
}

现在编译器无法优化对 x 的存储，只能强制生成以下代码：

g():
    mov  BYTE PTR [rsp-1], 1
    ret

请注意，这基本上与声明x变量volatile所产生的效果相同。

还记得我在开头问的问题吗？那是你想要的输出吗？

或者，也许你希望编译器发出立即到寄存器的移动指令。如果是这样，r约束将起作用，或者x86特定约束，允许您指定特定的寄存器。这会强制优化器分配一个寄存器来保存该值，即使它不需要：

g():
    mov     eax, 1
    ret

然而，我看不出这两者的意义所在。

如果你想创建一个微基准测试来测试调用带有单个const引用参数的函数的开销，那么更好的选择是确保被调用函数的定义对优化器不可见。然后，它就无法内联该函数，并且必须安排进行调用，包括所有必要的设置。如果你只是研究编译器如何发出该代码，这也很有效。(当然，你不能使用模板函数，除非你想滥用 C++11 的 extern 模板。)

- Cody Gray

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我曾模糊地认为doNotOptimize()函数应该能够处理指针和非指针类型的输入参数。至于asm约束的含义，我并没有理解。顺便说一句，我注意到Facebook的folly库确实有不同类型的模板特化。我使用了他们的doNotOptimizeAway重写了我的示例：https://godbolt.org/g/C8OvGm - Daniel Näslund

有时候你想要在循环中使用 "+r"(var)，来告诉编译器重新计算某些东西。 - Peter Cordes

Answer 2

我建议声明。

volatile char x = 1;

但是请注意，编译器“正确地”进行了优化，就像你观察到的那样。

- Basile Starynkevitch

Answer 3

对于g()，不会生成任何代码，因为"g"约束允许输入被优化为常量。

- Timothy Baldwin