编译器优化能否消除在 for 循环的条件中反复调用的函数？

Can compiler optimization elminate a function repeatedly called in a for-loop's conditional?

本文关键字：条件 调用 函数 循环 优化 for 编译器      更新时间：2023-10-16

我正在阅读有关哈希函数的信息（我是一名中级CS学生），并遇到了这个：

int hash (const string & key, int tableSize) {
    int hasVal = 0;
    for (int i = 0; i < key.length(); i++)
        hashVal = 37 * hashVal + key[i];
    .....
    return hashVal;
}

我正在查看这段代码，并注意到如果在 for 循环中而不是每次执行此操作时都调用 key.length（） 会更快：

int n = key.length();
for (int i = 0; i < n; i++)

我的问题是，由于这是稍微提高性能的明显方法，编译器会自动为我们执行此操作吗？我对编译器还不太了解，但我很好奇这个问题的答案。在编写代码以使用较少的操作时，人们经常指出我做的事情通常已经由编译器为我完成，所以我在浪费时间，但做诸如内联函数之类的事情。我关心这一点，因为我正在编写一个游戏，其中物理处理需要高效，这样事情就不会感觉笨拙。

简短的回答：它有时可以...

长答案：

如果编译器可以根据循环本身确定 key.length（） 是一个"常量"值，那么它将能够优化调用。这反过来又取决于所用类的定义（在本例中为 string ，我们可以预期它是"写得很好"的）。它还依赖于编译器的理解，即循环不会以改变key.length()的方式更改key。

要做到这一点的关键要素是函数是inline的（或者是一个模板函数，inline需要允许它多次包含在不同的编译单元中 - 或在同一源文件中可用），并且源代码位于编译单元包含的头文件中。

当然，C++标准中没有要求编译器这样做。每次调用函数完全符合标准。

只有当key.length()是一个纯函数时，才安全地将它移出循环 - 也就是说，一个没有副作用的函数。如果编译器可以检测到这种情况，那么我会说它很可能会执行优化。

不幸的是，与Fortran不同，C++没有标准的方式来将某些东西标记为纯净。如果函数是inline的（或可内联的），那么编译器就有了定义，并且可能可以自己解决，或者至少消除函数调用。

将成员函数标记为 const 可以保证它不会影响当前实例，但原则上没有理由key.length()不能更改某些全局变量，所以我怀疑这本身就足够了。

（有多种编译器特定的方法来声明函数纯 - 如GCC和兼容编译器（Clang，Intel）中的__attribute__((pure))。也许尝试一下这些，看看它们是否有任何不同？

这是一个非常依赖于编译器的答案。确定的唯一方法是生成汇编程序并戳一下它创建的内容（我建议学习如何使用编译器执行此操作并尝试一下，这很有启发性*）。

优化不是那么明显 - 编译器可以执行该优化，但前提是它确定.length()不会更改 - 即没有其他线程可以访问数据，并且它能够确定循环内的任何内容都不会改变.length() 后者很容易检查，因为它是一个常量字符串， 但前者则不然。话虽如此，我希望编译器假设它在中等优化级别上无处不在。

*双关语故意;对不起。

有两个地方可以进行优化。

  1. 更聪明的编译器会内省短函数，看看它们是否对if子句有影响。可能大多数编译器会inline调用，使其等效于您编写的内容。

  2. 在CPU级别，分支预测也将使其（大大）比更"随机"if更快。关于SO的最重要的问题之一展示了很好的硬核例子。

编辑：我之前假设声明方法 length() const 就足够了。但它太弱了。方法仍然可以在不更改对象状态的情况下抛出随机内容。但是，我 100% 确定，像我描述的那样，体面的编译器可以执行内省函数和方法。

相关文章：