使用volatile关键字在基准测试代码中防止编译器优化？

Question

我正在创建一个小程序，用于测量类型为boost::shared_ptr和boost::intrusive_ptr的容器之间性能差异。为了防止编译器优化掉复制操作，我将变量声明为volatile。循环如下:

// TestCopy measures the time required to create n copies of the given container.
// Returns time in milliseconds.
template<class Container>
time_t TestCopy(const Container & inContainer, std::size_t n) {
    Poco::Stopwatch stopwatch;
    stopwatch.start();
    for (std::size_t idx = 0; idx < n; ++idx)
    {
        volatile Container copy = inContainer; // Volatile!
    }

    // convert microseconds to milliseconds
    return static_cast<time_t>(0.5 + (double(stopwatch.elapsed()) / 1000.0));
}

代码的其余部分可以在这里找到：main.cpp。

• 在这里使用volatile关键字是否会防止编译器优化掉复制操作？
• 有哪些可能会使结果无效的陷阱？

更新

回应@Neil Butterworth。即使使用了复制，我仍然认为编译器很容易避免复制：

for (std::size_t idx = 0; idx < n; ++idx)
{
    // gcc won't remove this copy?
    Container copy = inContainer;
    gNumCopies += copy.size();        
}

- StackedCrooked

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在编译器中使用 -O0 和 -g 标志无效吗？我认为在这里使用 volatile 不是正确的方法。 - RC.

与其使用“-O0”进行性能分析，不如猜测性能影响。结果同样与实际情境无关。 - Konrad Rudolph

@RC 我不确定。我知道像 RVO 这样的优化即使在使用 -O0 时也会启动（参见 https://dev59.com/rG445IYBdhLWcg3wnrvM）。 - StackedCrooked

如果复制构造函数具有副作用，编译器是否允许优化掉复制？ - Robᵩ

@Rob，编译器可以优化任何它能够证明对程序结果没有影响的内容。因此，如果你创建并立即销毁一个对象，则从原则上讲，只要编译器能够证明没有持久性副作用，就可以完全优化掉整个过程。 - bdonlan

Answer 1

C++03标准规定，对易失性数据的读写是可观察行为（C++ 2003, 1.9 [intro.execution] / 6）。我相信这保证了易失性数据的赋值不会被优化掉。另一种可观察行为是调用输入/输出函数。 在这方面，C++11标准甚至更加明确：在1.9/8中，它明确表示

“符合实现的最小要求是：
— 对易失对象的访问严格按照抽象机器的规则进行评估。”

如果编译器能够证明代码不会产生可观察行为，则可以将代码优化掉。在您的更新中（未使用易失性数据），复制构造函数和其他函数调用及重载运算符可能避免任何I/O调用和易失性数据的访问，编译器可能会理解它。但是，如果gNumCopies是一个全局变量，稍后在具有可观察行为的表达式（例如打印）中使用，则此代码将不会被删除。

- Alexey Kukanov

Answer 2

为什么要这样做呢？最好的解决方案是以某种方式使用容器，例如通过将其大小添加到全局变量中。

- user2100815

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仍然有可能编译器会优化掉这里的复制。请参见我的编辑以获取代码示例。 - StackedCrooked

哦，好的 - 然后在副本和原始数据上调用一个函数。 - user2100815

Answer 3

对于非POD类型，Volatile 不太可能达到您的预期。我建议传递一个 char * 或 void * 类型的容器别名给不同翻译单元中的空函数。由于编译器无法分析指针的使用情况，这将充当编译器内存屏障，至少强制对象进入处理器缓存，并防止大多数死值消除优化。

- bdonlan