编译器可以优化多个相同的函数调用吗

Posted 2023-02-22

【中文标题】编译器可以优化多个相同的函数调用吗

【英文标题】：Can a compiler optimize multiple same function calls

【发布时间】：2016-06-17 08:35:59

【问题描述】：

关于 SO 上的“冗余函数调用”的编译器优化有很多问题和很好的答案（我不会发布链接），但是，我在 多个相同 函数调用上找不到任何东西就这样。

假设我有这样的代码 sn-p：

void fairlyComplexFunction(const double &angle)

    //do stuff and call "sin(angle)" very often in here

调用sin(angle) 是一个相当昂贵的操作，因为angle 是fairlyComplexFunction 范围内的常量，所以每次调用正弦函数都会得到相同的结果，所以只调用它一次是更好的方法：

void fairlyComplexFunction(const double &angle)

    const double sineOfAngle = sin(angle);
    //do stuff and use sineOfAngle very often in here

编译器是否能够以任何方式检测到此类事情并为我优化，还是第二个示例是更好的方法？

【问题讨论】：

自己编译看看输出？

@KerrekSB 首先，我真的不擅长查看和理解汇编语言。另外，仅仅因为当我编译它并且它不起作用时，并不意味着其他编译器可能无法做到。

原则上，如果编译器可以确定所讨论的函数是一个纯函数（没有副作用，并且唯一影响其输出的是它的输入， ) 然后它可以轻松消除多个调用。然而，在 C++ 中证明一个函数是纯函数并不总是那么容易或微不足道的。

@yzt 在这种情况下，sin(x) 确实是一个纯函数，所以我猜它“原则上可以工作”？

@phil13131：不仅是一个纯函数，而且是实现提供的函数。这不仅仅是“原则上可行”，我实际上是期待的。我什至希望对sin(x) 和cos(x) 的调用能够合并，即使它们不是相同的函数（！）

【参考方案1】：

正如评论中已经提到的，如果编译器可以检测到被调用的函数是一个纯函数（没有副作用，没有 i/o，.. .).

一个使用 g++ 的小例子 (https://godbolt.org/g/2b3Vgg)：

#include <cmath>

extern double g (double);

template <double (*F) (double)>
double f1 (double angle) 
  double x = 3 * F(angle) + F(angle);
  double y = F(angle) + F(angle) * F(angle);
  return x + y * F(angle);


template double f1<sin> (double);
template double f1<g> (double);

在f1 中，您有多次调用F 函数，以及两个实例：

带有std::sin 的一个 - 任何理智的编译器都应将其视为纯函数。 带有extern 函数的函数不能被视为纯函数。

如果查看生成的程序集*：

double f1<&sin>(double):
        subq    $8, %rsp
        call    sin
        ...
        ret

double f1<&(g(double))>(double):
        subq    $40, %rsp
        movsd   %xmm0, (%rsp)
        call    g(double)
        movsd   %xmm0, 8(%rsp)
        movsd   (%rsp), %xmm0
        call    g(double)
        movsd   8(%rsp), %xmm1
        mulsd   .LC0(%rip), %xmm1
        ...
        call    g(double)
        movsd   %xmm0, 16(%rsp)
        movsd   (%rsp), %xmm0
        call    g(double)
        movsd   %xmm0, 24(%rsp)
        movsd   (%rsp), %xmm0
        call    g(double)
        mulsd   24(%rsp), %xmm0
        movsd   16(%rsp), %xmm2
        ...
        call    g(double)
        mulsd   16(%rsp), %xmm0
        addsd   8(%rsp), %xmm0
        ...

您会看到，在sin 的实例化中，g++ 只执行一个函数调用 (call sin)，而在g 的实例化中，您有 6 个调用。

所以是的，编译器可能会针对多次调用纯函数进行一些优化，但我不会依赖它**并使用显式的中间变量，如您的第二个例子。

* 我删除了大部分生成的指令，但显示了所有 call 指令。

** clang 即使使用 -O3 也不会对此进行优化（但使用 -ffast-math 会优化）。

【讨论】：

非常感谢，这是一个非常彻底的答案。我觉得这很有趣，它没有使用 -O3 进行优化，但你需要 -ffast-math ，因为这应该是多余的。同样棘手的是，用户“必须知道这一点”并且最终可能会得到未完全优化的代码......

@phil13131：理论上存在一些担忧，即舍入模式可能会在两次调用之间发生变化，这会使函数实际上不纯。使用-ffast-math，编译器可以忽略舍入模式的更改。

【参考方案2】：

如果它可以证明sin没有任何副作用，它可以优化它。

但即使可以，您的第二个版本也向读者和您自己清楚地表明，所有代码应该使用相同的值，并且没有任何使用是错误；错误和不确定性的空间更小。