为什么这段代码片段在C和C++中产生了截然不同的汇编代码？

Question

struct v {
    int val[16];
};

struct v test(struct v a, struct v b) {
    struct v res;

    for (int i = 0; i < 16; i++)
        res.val[i] = a.val[i] + b.val[i];

    return res;
}

使用C++编译，GCC 7.2会发出以下信息：

  push r10
  vmovdqu32 zmm0, ZMMWORD PTR [rsp+16]
  mov rax, rdi
  vpaddd zmm0, zmm0, ZMMWORD PTR [rsp+80]
  lea r10, [rsp+16]
  vmovdqu32 ZMMWORD PTR [rdi], zmm0
  pop r10

作为C语言编译：

  lea r10, [rsp+8]
  and rsp, -64
  mov rax, rdi
  push QWORD PTR [r10-8]
  push rbp
  mov rbp, rsp
  push r10
  vmovdqu32 zmm0, ZMMWORD PTR [r10]
  vpaddd zmm0, zmm0, ZMMWORD PTR [r10+64]
  vmovdqa64 ZMMWORD PTR [rbp-112], zmm0
  vmovdqa64 xmm0, XMMWORD PTR [rbp-112]
  vmovups XMMWORD PTR [rdi], xmm0
  vmovdqa64 xmm0, XMMWORD PTR [rbp-96]
  vmovups XMMWORD PTR [rdi+16], xmm0
  vmovdqa64 xmm0, XMMWORD PTR [rbp-80]
  vmovups XMMWORD PTR [rdi+32], xmm0
  vmovdqa64 xmm0, XMMWORD PTR [rbp-64]
  vmovups XMMWORD PTR [rdi+48], xmm0
  pop r10
  pop rbp
  lea rsp, [r10-8]

使用GodBolt编译器探索器将C和C++进行编译：

clang x86汇编： https://godbolt.org/g/FfrKTf
gcc x86汇编： https://godbolt.org/g/SZQqqt

在gcc和clang中，相同的代码片段对于C和C++产生了显着不同的代码：

• 循环的自动向量化方式不同：当使用-march=sandybridge或比AVX2更窄的任何选项时，gcc使用非对齐加载/存储，而g++使用标量加载/存储直到对齐边界。

  这不是特定于x86的现象：AArch64 SIMD的自动向量化也会发生同样的情况。

• C版本实际上将结果存储到堆栈上的本地res，然后从那里使用SIMD副本复制到返回值指针（有时与仅存储数据的循环不同的矢量宽度）。

  禁用自动向量化（-fno-tree-vectorize）后，gcc仍然使用SIMD加载/存储复制结果。

有人知道为什么会这样吗？

是否有一些在C标准中不存在但在C++标准中存在的对齐保证？这是ABI问题吗？还是编译器探索器上的一些奇怪编译选项？

- hl3mukkel

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请问您能否复制粘贴您问题中的代码和汇编代码？ - Pablo

因为C++具有复制省略功能？尝试使用“-fno-elide-constructors”。 - Kerrek SB

在这段代码中，复制省略并不是必要的优化。C语言没有复制省略，因为它不是必要的。没有可能被省略的带有副作用的复制构造函数。 - Benjamin Lindley

我认为最终这只是因为它们底层使用了不同的编译器，它们在某些方面存在差异，[编译器] 代码专注于一些方法，可能会牺牲其他方面的效果。 - Lightness Races in Orbit

你可能是新来的，但是godbolt是一个备受尊重的领域，在提问和回答中特别在C/C++/汇编标签下广泛使用。 - Michael Petch

Answer 1

根据编译器转储，C Gimple IR在堆栈上工作中间对象（然后被复制到返回值）。

$ gcc ../tmp.c -fdump-tree-gimple -O2 -S -std=c99
$ cat tmp.c.004t.gimple
...
    <D.1621>:
    D.1626 = a.val[i];
    D.1627 = b.val[i];
    D.1628 = D.1626 + D.1627;
    res.val[i] = D.1628;
    i = i + 1;
    <D.1622>:
    if (i <= 15) goto <D.1621>; else goto <D.1623>;
    <D.1623>:
  }
  <retval> = res;
  return <retval>;

与此不同，C++ 直接在 retval temp 上进行操作：

$ g++ ../tmp.c -fdump-tree-gimple -O2 -S
$ cat tmp.c.004t.gimple
    <D.2250>:
    D.2254 = a.val[i];
    D.2255 = b.val[i];
    D.2256 = D.2254 + D.2255;
    <retval>.val[i] = D.2256;
    i = i + 1;
    <D.2251>:
    if (i <= 15) goto <D.2250>; else goto <D.2248>;
    <D.2248>:
  }
  return <retval>;

据我所知，C和C++的Gimple生成器没有共享代码，因此可能会出现这样的异常情况。我鼓励您在GCC Bugzilla上报告此问题，因为这很可能是一个常见的性能问题。

- yugr