C++编译器在处理指针时能够优化掉代码吗？

Question

有了这两个问题作为背景（first和second），我对C++编译器在处理指针时能够进行多少优化感到好奇？具体来说，我对编译器在优化可能永远不会运行的代码时有多聪明感兴趣。

（有人可能会指出这是this question的重复，但这个问题的特定部分并没有完全得到回答。因此，我决定提出一个新问题，只涉及这个问题。）

（我不是C++专家，所以以下陈述可能不正确，但我还是尝试一下）。 C++编译器可能会优化掉它将永远不执行或永远不退出的代码部分（例如循环）。以下是一个例子：

void test() {
    bool escape = false;

    while ( !escape ); // Will never be exited

    // Do something useful after having escaped
}

编译器很可能会认为由于代码从未更改escape的值，因此循环永远不会退出。这使得循环变得无用。

现在，如果我们将变量更改为指针，编译器是否仍会优化掉循环？假设代码如下：

void test( bool* escape ) {
    while ( *escape ); // Will this be executed?

    // Do something useful after having escaped
}

我的猜测是编译器将取消循环，否则关键字volatile将是多余的，对吗？但是在使用线程时怎么办——它实际上被修改了，但是在函数之外，甚至可能完全在C++文件之外——编译器仍然会删除循环吗？如果由escape指向的变量是全局变量或另一个函数内部的局部变量，是否有区别？编译器能检测到这一点吗？在this question中，有些人说如果在循环内调用库函数，编译器将不会优化循环。那么在使用库函数时有哪些机制可以防止此优化？

- gablin

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编译器无法对已编译为库的函数执行内联或静态分析。因此，它必须假定（我相信）任何这样的函数可能具有副作用，在这种情况下，它无法优化掉对它们的任何调用。 - Oliver Charlesworth

Answer 1

在第一种情况下（while ( !escape );），编译器将把它视为label: goto label;并省略其后的所有内容（可能会给出警告）。

在第二种情况下（while ( *escape );），编译器无法知道运行时*escape是true还是false，因此必须进行比较和循环。但请注意，它只需要从*escape中读取一次值，也就是说，它可以将其视为：

 bool b = *escape;
 label:   if (b) goto label;

volatile 会强制每次循环都从 '*escape' 中读取值。

- James Curran

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在第二种情况下，如果另一个线程修改了相同的内存，*escape 可能会发生变化。 因此，编译器不应该每次计算该值吗？ - Jimmy

@Jimmy 如果*escape可以从另一个线程进行修改，那么在没有某种形式的同步的情况下访问它是不正确的（部分原因是这个）。如果*escape可以通过外部硬件事件进行修改（例如映射内存），那么应该将其标记为volatile以确保编译器每次都会重新读取它。 - Tyler McHenry

@Jimmy：不，Escape不能被另一个线程修改---如果没有将其标记为“volatile”，则表示您承诺另一个线程不会更改它。该关键字是有目的的。请注意，如果它被写成while(*escape) DoSomething();，即使没有volatile，它也会被重新加载，因为escape可能在DoSomething()中被修改。 - James Curran

volatile关键字是否可以继承？例如，如果我有以下代码： void test(bool* foo) { while(*foo); } 和 void test2(bool* bar) { for(;*foo;); } 这会如何处理？如果我从多个线程调用它们并传递一个volatile bool*，编译器是否知道正确处理它？更重要的是，如果这两种方法在与调用代码分开编译的库中，该怎么办？抱歉我这么啰嗦，但我很好奇这个责任被传递给程序员的程度... - Jimmy

Answer 2

请记住，C ++编译器不知道也不关心你的线程。Volatile是你所拥有的唯一保障。任何编译器都可以进行优化，破坏多线程代码但单线程上运行良好，这是完全合法的。当讨论编译器优化时，请摒弃线程，因为它并不在考虑范围内。

现在，让我们来谈谈库函数。当然，任何一个库函数都可以随时更改你的函数中的*escape值，因为编译器无法知道它们如何工作。如果你将函数传递为回调函数，情况就尤其如此。但是，如果你有一个包含源代码的库，编译器可以深入挖掘并发现*escape在其中没有被修改。

当然，如果循环为空，它几乎肯定会让你的程序挂起，除非它能确定该条件在开始时不为真。删除空的无限循环不是编译器的工作，而是程序员自己的脑细胞的工作。

- Puppy

Answer 3

这样的问题通常包含一个非常不切实际的代码片段，这是一个通用的问题。"编译器会做什么"这个问题需要真正的代码，因为编译器被设计和优化来编译真正的代码。由于代码没有副作用，大多数编译器将完全消除函数和函数调用，留下一个没有有用答案的问题。

但是，如果你想找到volatile关键字的用途，你可以在SO上找到许多线程，讨论为什么在多线程应用程序中不适合使用volatile。

- Hans Passant

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现在我把示例代码“更加逼真”了，你的答案会是什么？ - gablin

是的，您的注释将被优化掉 :) - Hans Passant

好的，循环不再被优化掉了。编译器必须考虑第二个代码片段中的指针别名，因此不会对指向的布尔值是否会因doStuff()调用而改变状态做出激烈的结论。除非它被内联，这样它就可以知道。这是代码优化器的一个重要实现细节。 - Hans Passant

我回滚了更改，因为它破坏了问题的整个目的。但还是感谢你的回答。^^ 我觉得我需要更多关于优化的知识，因为这里的一个答案只引出了两三个新问题。 - gablin

Answer 4

编译器被允许做的事情与实际编译器所做的事情有所不同。

标准在“1.9程序执行”中进行了说明。标准描述了一种抽象机器，并要求实现具有相同的“可观察行为”。（这就是文末脚注中记录的“as-if”规则。）

来自1.9（6）：“抽象机器的可观察行为是其对volatile数据的读写序列和对库I/O函数的调用。” 这意味着，如果您可以证明对函数的修改既不会在该函数内部引起变化，也不会在调用之后引起变化，则该修改是合法的。

从技术上讲，这意味着如果您编写一个永远运行的函数来测试（例如）哥德巴赫猜想，即所有大于2的偶数都是两个质数之和，只有找到一个不正确的才停止，那么足够巧妙的编译器可以替换输出语句或无限循环，具体取决于猜想是错误的还是正确的（或者在哥德尔意义下是不可证明的）。实际上，在编译器拥有优于最好的数学家的定理证明器之前，这将需要一段时间，如果有可能的话。

- David Thornley

Answer 5

是的，有些编译器比其他编译器更聪明。您的第一个示例是一个不错的编译器，无论是否经过优化，它都会看到它什么也没做，它可能会生成代码，也可能不会警告您的代码什么也没做。

我曾经见过一种编译器，它优化了在循环中调用的不同函数的许多行代码。实际上，我正在尝试进行编译器比较，使用一个在循环中重复调用的lfsr随机器（循环运行了硬编码次数）。一个编译器忠实地编译（和优化）了代码，执行每个功能步骤，而另一个编译器则找出了我在做什么，并且汇编产生的相当于ldr r0，＃0x12345，其中0x12345是如果您计算所有变量与循环运行的次数一样多的答案。只有一条指令。

从你的另一个问题中可以看出，你在使用volatile以及语言的其他细节方面存在困难。在你的第二个例子中，只有对该函数的可见性，编译器不知道所指向的内存位置是什么，它很可能是预期在某个时刻会更改的硬件寄存器，或者是被中断或其他线程共享的内存位置，预期在某个时刻会更改。没有volatile，优化器完全有权执行类似于以下的操作：

  ldr r0,[r1]
compare:
  cmp r0,#0
  bne compare

这正是我在学习volatile时所学到的教训。读取了内存位置（一次），然后循环等待该值发生变化，就像我的代码“告诉”它要做的那样。但这并不是我“想要”它做的事情（当指向的寄存器发生变化时退出循环）。

现在，如果你做了这样的事情：

void test( bool* escape ) {
    while ( *escape );
}

pretest() {
    bool escape = false;
    test(&escape);
}

有些编译器会忠实地编译这段代码，即使它什么也不做（除了烧掉时钟周期，这可能正是所需的）。有些编译器可以查看一个函数之外的内容，并看到 while(*escape); 永远不会为真。其中一些编译器将不会在 pretest() 中放置任何代码，但出于某种原因，将忠实地包含 test() 函数在二进制文件中，即使它从未被任何代码调用。有些编译器将完全删除 test() 并将 pretest 保留为简单的返回。所有这些都在这些非现实世界教育示例中完全有效。

底线是你的两个示例完全不同，在第一种情况下，编译器需要知道确定 while 循环是 nop 的所有内容都在那里。在第二种情况下，编译器无法知道 escape 的状态或它是否会改变，并且必须忠实地将 while 循环编译成可执行指令。唯一的优化机会是它是否在每次通过循环时读取内存。

如果您想真正了解发生了什么，请使用不同的优化选项编译这些函数，然后反汇编对象代码。

- old_timer