Question

说非常常见的数学函数，例如sin，cos等...编译器是否意识到它们没有副作用并且能够将它们移动到外部循环？例如

// Unoptimized

double YSinX(double x,int y)
{
   double total = 0.0;
   for (int i = 0; i < y; i++)
      total += sin(x);
   return total;
}

// Manually optimized

double YSinX(double x,int y)
{
   double total = 0.0, sinx = sin(x);
   for (int i = 0; i < y; i++)
      total += sinx;
   return total;
}

如果可以的话，是否有办法宣布某项功能没有副作用，因此以这种方式进行优化是安全的？ VS2010应用程序的初始分析表明优化是有益的。

另请参阅此related question，这篇文章很接近，但并不完全回答我自己的问题。

编辑：一些很棒的答案。我接受的那个基于它作为答案本身引起的评论，特别是链接的文章，以及在设置errno的情况下（即副作用）可能不会发生提升的事实。因此，在我正在做的事情中，这种类型的手动优化似乎仍然有意义。

Answer 1

GCC有两个attributes，pure和const，可用于标记此类功能。如果函数没有副作用且其结果仅取决于其参数，则该函数应声明为const，如果结果也可能依赖于某个全局变量，则应将函数声明为pure。最新版本还有一个-Wsuggest-attribute warning option，可以指出应该声明为const或pure的函数。

Answer 2

事实上，今天的常见编译器将执行您所询问的loop-invariant code motion优化。有关此示例，请参阅this article entitled "Will it Optimize?"中的第二个练习，或使用gcc -S -O3和/或clang -S -O3汇总下面的示例并检查程序集中的main入口点，因为我出于好奇而做了。如果您的VS2010编译器没有执行此优化，则无关紧要; llvm/clang "integrates with MSVC 2010, 2012, 2013 and 14 CTP"

从理论上来说，这两个引号解释了编译器在执行优化时所具有的范围或余量。它们来自C11标准。 IIRC C ++ 11有类似之处。

<强>§5.1.2.3p4：

在抽象机器中，所有表达式都按照指定的方式进行评估语义学。实际的实现不需要评估部分内容表达式，如果它可以推断出它的值没有被使用而且没有产生所需的副作用（包括通过调用a引起的任何副作用）功能或访问易失性对象。）

<强>§5.1.2.3p6：

符合实施的最低要求是：

- 对volatile对象的访问严格按照   抽象机器的规则。

- 程序终止时，所有写入文件的数据都应该是   与根据该程序执行程序的结果相同   抽象语义会产生。

- 交互设备的输入和输出动态应采用   按照规定放置的地方   7.21.3。这些要求的目的是尽快出现无缓冲或行缓冲输出，以确保这一点   提示消息实际上出现在程序等待之前   输入

这是该计划的可观察行为。

因此，如果可以，编译器可能会将整个程序提升到编译时评估中。请考虑以下程序，例如：

#include <math.h>
#include <stdio.h>

double YSinX(double x,int y)
{
    double total = 0.0;
    for (int i = 0; i < y; i++)
        total += sin(x);
    return total;
}

int main(void) {
    printf("%f\n", YSinX(M_PI, 4));
}

您的编译器可能会意识到此程序每次都会打印0.0\n，并将您的程序优化为：

int main(void) { puts("0.0"); }

也就是说，提供您的编译器可以证明sin和YsinX都不会导致任何所需的副作用。请注意，它们可能（并且可能确实）仍然会产生副作用，但它们不是需要来生成此程序的输出。

为了展示在实践中应用的理论知识，我通过汇编（使用{{}来测试llvm/clang（来自clang --version的3.8.0）和gcc（来自gcc --version的6.4.0）。 1}} / gcc -S -O3）我的Windows 10系统上面的代码，这些编译器的两个已经有效地应用了上述优化;实际上，您可以将上述示例中的clang -S -O3转换为相当于main的机器代码。

你问了一个关于“编译器”的问题。如果您指的是所有C或C ++实现，则无法保证优化，并且C实现甚至不需要是编译器。您需要告诉我们哪个特定的C或C ++实现;正如我上面解释的那样，LLVM / Clang“与MSVC 2010,2012,2013和14 CTP集成”，因此您可能正在使用它。如果您的C或C ++编译器没有生成最佳代码，请获取新的编译器（例如LLVM / Clang）或自行生成优化，最好通过修改编译器，以便您可以向开发人员发送补丁并将优化自动传播到其他项目。

Answer 3

允许在循环外部提升此子表达式所需的内容不是纯度，而是idempotence。

Idempotence意味着一个函数将具有相同的副作用，并且如果它被调用一次，就好像它被多次使用相同的参数调用一样。因此，编译器可以将函数调用放在循环之外，仅受条件保护（循环至少迭代一次吗？）。然后，提升优化后的实际代码为：

double YSinX(double x,int y)
{
   double total = 0.0;
   int i = 0;
   if (i < y) {
       double sinx = sin(x);  // <- this goes between the loop-initialization
                              // first test of the condition expression
                              // and the loop body
       do {
          total += sinx;
          i++;
       } while (i < y);
   }
   return total;
}

__attribute__(pure)和idempotent之间的区别非常重要，因为正如adl在评论中指出的那样，这些功能确实会产生设置errno的副作用。

但要小心，因为幂等仅适用于没有干预指令的重复呼叫。编译器必须执行数据流分析以证明函数和插入代码不会相互作用（例如，介入代码仅使用其地址永远不会被占用的本地符号），然后才能利用幂等性。当已知该函数是纯的时，这不是必需的。但纯度是一个更强大的条件，不适用于很多功能。

Answer 4

我想，是的。如果你得到编译器反汇编输出，你可以看到，在另一个标签中调用sin而不是'for'的循环标签：（用g ++ -O1 -O2 -O3编译）

Leh_func_begin1:
        pushq   %rbp
Ltmp0:
        movq    %rsp, %rbp
Ltmp1:
        pushq   %rbx
        subq    $8, %rsp
Ltmp2:
        testl   %edi, %edi
        jg      LBB1_2
        pxor    %xmm1, %xmm1
        jmp     LBB1_4
LBB1_2:
        movl    %edi, %ebx
        callq   _sin ;sin calculated
        pxor    %xmm1, %xmm1
        .align  4, 0x90
LBB1_3:
        addsd   %xmm0, %xmm1
        decl    %ebx
        jne     LBB1_3 ;loops here till i reaches y
LBB1_4:
        movapd  %xmm1, %xmm0

我希望我是对的。

C和C ++优化器通常知道哪些函数没有副作用？

4 个答案: