为什么GCC优化不能与valarrays一起使用？

Question

这是一个使用 valarrays 的简单 C++ 程序:

#include <iostream>
#include <valarray>

int main() {
    using ratios_t = std::valarray<float>;

    ratios_t a{0.5, 1, 2};
    const auto& res ( ratios_t::value_type(256) / a );
    for(const auto& r : ratios_t{res})
        std::cout << r << " " << std::endl;
    return 0;  
}

如果我像这样编译和运行代码:

g++ -O0 main.cpp && ./a.out

输出结果如预期：

512 256 128 

然而，如果我这样编译和运行它：

g++ -O3 main.cpp && ./a.out

输出结果为：

0 0 0 

如果我使用-O1优化参数，同样的情况也会发生。

GCC版本为（在Archlinux中最新）：

$ g++ --version
g++ (GCC) 6.1.1 20160707

然而，如果我使用clang尝试，则两者

clang++ -std=gnu++14 -O0 main.cpp && ./a.out

and

clang++ -std=gnu++14 -O3 main.cpp && ./a.out

产生相同正确的结果：

512 256 128 

Clang版本为：

$ clang++ --version
clang version 3.8.0 (tags/RELEASE_380/final)

我也尝试过在Debian上使用GCC 4.9.2，可执行文件产生了正确的结果。

这是GCC可能存在的一个bug，还是我做错了什么？有人能复现这个问题吗？

编辑：我成功地在Mac OS上使用Homebrew版本的GCC 6复现了这个问题。

- DoDo

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使用 http://melpon.org/wandbox，从4.9.3到5.1似乎行为发生了变化。 - NathanOliver

不幸的是，在我的代码库中，我也成功地复制了类似的问题（但使用uint32_t），即使在GCC 4.9.3上也是如此，但当放入最小示例时它可以工作。我正在调查... - DoDo

Answer 1

valarray和auto组合使用效果不佳。 这会创建一个临时对象，然后对其应用operator/。

const auto& res ( ratios_t::value_type(256) / a );

libstdc++的valarray使用表达式模板，因此operator/返回一个轻量级对象，该对象引用原始参数并懒惰地对它们进行评估。您可以使用const auto&，这会将表达式模板绑定到引用上，但不会扩展表达式模板所引用的临时对象的生命周期。因此，在进行评估时，临时对象已经超出了作用范围，并且其内存已被重用。

如果您这样做，它将正常工作：

ratios_t res = ratios_t::value_type(256) / a;

更新：截至今天，GCC主干将为此示例提供预期结果。我已经修改了我们的valarray表达式模板，使其更不容易出错，这样就更难（但仍然不是不可能）创建悬空引用。新的实现应该会在明年的GCC 9中包含。

- Jonathan Wakely

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感谢您提供详细的答案。我会接受它。我只想指出，即使我写了 auto res (ratios_t::value_type(256)/a)，在开启优化的情况下仍然会得到相同的结果。但是，您的建议有效（即不使用 auto）。在clang和msvc中，原始代码都可以正常工作。 - DoDo

是的，因为auto推断表达式模板的类型，该模板包含对已过期临时对象的引用。您需要显式创建一个valarray，以强制在临时对象消失之前进行评估。正如我所说，auto和valarray不搭配使用。 - Jonathan Wakely

Answer 2

这是对于`operator/ (const T& val, const std::valarray<T>& rhs)`的粗心实现（以及可能存在的其他valarrays运算符）使用惰性求值的结果：

#include <iostream>
#include <valarray>

int main() {
    using ratios_t = std::valarray<float>;

    ratios_t a{0.5, 1, 2};
    float x = 256;
    const auto& res ( x / a );
    // x = 512;  //  <-- uncommenting this line affects the output
    for(const auto& r : ratios_t{res})
        std::cout << r << " ";
    return 0;
}

当注释掉"x = 512"这一行时，输出结果为：

512 256 128 

取消注释该行，输出结果会发生变化

1024 512 256 

由于在您的示例中，除法运算符的左侧参数是一个临时变量，因此结果未定义。

更新

正如Jonathan Wakely正确指出的那样，在这个示例中，基于惰性评估的实现由于使用了auto而成为一个问题。

- Leon

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谢谢你的回答。Jonathan先回答了，所以我接受了他的答案，但是你的答案也很有用。太遗憾了，SO不允许你接受多个答案 :-). - DoDo