编译器是不是将给定常量参数的简单函数简化为唯一指令？

Posted 2023-02-22

【中文标题】编译器是不是将给定常量参数的简单函数简化为唯一指令？

【英文标题】：Do compilers reduce simple functions given constant arguments into unique instructions?编译器是否将给定常量参数的简单函数简化为唯一指令？

【发布时间】：2015-07-19 13:21:01

【问题描述】：

这是我一直认为是真实的，但从未得到任何验证。考虑一个非常简单的函数：

int subtractFive(int num) 
    return num -5;

如果对该函数的调用使用编译时间常数，例如

  getElement(5);

启用了优化的编译器很可能会内联它。然而，我不清楚的是 num - 5 是否将在运行时或编译时进行评估。表达式简化会以这种方式通过内联函数递归扩展吗？还是不超越功能？

【问题讨论】：

我希望一个像样的编译器将第二个表达式替换为 0，是的。但是除了查看程序集之外没有其他方法可以确定

如果是简单的代码，我喜欢使用this page，因为它可以方便地过滤掉gcc -S 产生的大部分噪音。

我不是专家，但我认为这可能有助于实现 constexpr 的功能。

如果它是内联的，它就不再是一个不同的函数了。

@Olaf 如果有人不想获得 C++ 答案，他们不应该标记 C++ 问题。

【参考方案1】：

我们可以简单地查看生成的程序集来找出答案。这段代码：

int subtractFive(int num) 
    return num -5;


int main(int argc, char *argv[]) 
  return subtractFive(argc);

使用g++ -O2 编译产生

leal    -5(%rdi), %eax
ret

所以函数调用确实被简化为一条指令。这种优化技术被称为inlining。

当然可以使用相同的技术来查看编译器会走多远，例如稍微复杂一点

int subtractFive(int num) 
    return num -5;


int foo(int i) 
    return subtractFive(i) * 5;


int main(int argc, char *argv[]) 
  return foo(argc);

仍然被编译为

leal    -25(%rdi,%rdi,4), %eax
ret

所以这里的两个函数都在编译时被消除了。如果foo 的输入在编译时已知，则函数调用将（在这种情况下）简单地替换为编译时生成的常量 (Live)。

编译器还可以将此内联与常量折叠结合起来，如果所有参数都是编译时常量，则用其完全评估的结果替换函数调用。例如，

int subtractFive(int num) 
    return num -5;


int foo(int i) 
    return subtractFive(i) * 5;


int main() 
  return foo(7);

编译成

mov     eax, 10
ret

相当于

int main () 
    return 10;

编译器总是会在它认为是个好主意的地方执行此操作，并且（通常）在这种低级别优化代码方面比您更好。

【讨论】：

我会说如果你告诉它这样做（或者如果你不告诉它不要这样做）它会一直这样做。 IOW，这取决于编译器标志。

@ChristianHackl 好吧，在这个简单的例子中，它肯定总是内联的（如果它真的可以看到定义，否则只能通过 LTO）。但是当然不应该开始明确地告诉编译器要内联什么，除非通过分析证明编译器做出了错误的决定。

但是调试版本呢？如果subtractFive 中的断点没有被命中，我会感到惊讶，因为编译器无条件地内联函数。

@ChristianHackl 在调试构建中当然没有内联，但调试构建的性能无论如何都无关紧要。

【参考方案2】：

做一个小测试很容易；考虑以下

int foo(int);
int bar(int x)  return x-5; 
int baz()  return foo(bar(5)); 

使用g++ -O3 编译，函数baz 的asm 输出为

xorl    %edi, %edi
jmp _Z3fooi

这段代码在第一个参数中加载一个0，然后跳转到foo的代码中。所以 bar 中的代码完全消失了，传递给 foo 的值的计算已经在编译时完成了。

另外返回调用函数的值变成了函数代码的跳转（这叫做“尾调用优化”）。

【参考方案3】：

智能编译器将在编译时评估它并替换 getElement(5)，因为它永远不会有不同的结果。没有一个变量被认为是易变的。