在g++上进行聚合初始化的std::数组生成大量代码

std::array with aggregate initialization on g++ generates huge code

本文关键字：数组 代码 std g++ 初始化      更新时间：2023-10-16

在g++4.9.2和5.3.1上，此代码需要几秒钟的编译时间，并生成52776字节的可执行文件：

#include <array>
#include <iostream>
int main()
{
    constexpr std::size_t size = 4096;
    struct S
    {
        float f;
        S() : f(0.0f) {}
    };
    std::array<S, size> a = {};  // <-- note aggregate initialization
    for (auto& e : a)
        std::cerr << e.f;
    return 0;
}

增加size似乎线性地增加了编译时间和可执行文件大小。无论是clang 3.5还是Visual C++2015，我都无法重现这种行为。使用-Os没有区别。

$ time g++ -O2 -std=c++11 test.cpp
real    0m4.178s
user    0m4.060s
sys     0m0.068s

检查汇编代码显示a的初始化已展开，生成4096movl指令：

main:
.LFB1313:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbx
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 3, -16
    subq    $16384, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 16400
    movl    $0x00000000, (%rsp)
    movl    $0x00000000, 4(%rsp)
    movq    %rsp, %rbx
    movl    $0x00000000, 8(%rsp)
    movl    $0x00000000, 12(%rsp)
    movl    $0x00000000, 16(%rsp)
       [...skipping 4000 lines...]
    movl    $0x00000000, 16376(%rsp)
    movl    $0x00000000, 16380(%rsp)

只有当T有一个非平凡的构造函数并且使用{}初始化数组时，才会发生这种情况。如果我做以下任何一项，g++会生成一个简单的循环：

  1. 删除S::S()
  2. 在类中移除S::S()并初始化S::f
  3. 删除聚合初始化（= {}）
  4. 不使用-O2进行编译

我完全赞成将循环展开作为一种优化，但我认为这不是一个很好的优化。在我报告这是一个错误之前，有人能确认这是否是预期的行为吗？

[edit:我为此打开了一个新的bug，因为其他bug似乎不匹配。它们更多的是关于长编译时间，而不是奇怪的代码生成。]

似乎有一个相关的bug报告，bug 59659-初始化std：：array编译时间过长。对于4.9.0，它被认为是"固定的"，所以我认为这个测试用例要么是回归，要么是补丁没有覆盖的边缘用例。值得一提的是，错误报告的两个测试用例1，2在GCC 4.9.0和5.3.1 上都对我表现出症状

还有两个相关的错误报告：

错误68203-А关于带有-std=c++11 的嵌套对数组的结构的无限编译时间

Andrew Pinski 2015-11-04 07:56:57 UTC

这很可能是内存占用，会产生大量默认值构造函数，而不是它们之上的循环。

那个声称是这个的复制品：

Bug 56671-Gcc使用大量的内存和处理器功率与大型C++11位集

Jonathan Wakely 2016-01-26 15:12:27 UTC

生成此constexpr构造函数的数组初始化是问题：

  constexpr _Base_bitset(unsigned long long __val) noexcept
  : _M_w{ _WordT(__val)
   } { }

事实上，如果我们将其更改为S a[4096] {};，我们就不会遇到问题。

使用perf，我们可以看到GCC在哪里花费了大部分时间。第一：

perf record g++ -std=c++11 -O2 test.cpp

然后perf report:

  10.33%  cc1plus   cc1plus                 [.] get_ref_base_and_extent
   6.36%  cc1plus   cc1plus                 [.] memrefs_conflict_p
   6.25%  cc1plus   cc1plus                 [.] vn_reference_lookup_2
   6.16%  cc1plus   cc1plus                 [.] exp_equiv_p
   5.99%  cc1plus   cc1plus                 [.] walk_non_aliased_vuses
   5.02%  cc1plus   cc1plus                 [.] find_base_term
   4.98%  cc1plus   cc1plus                 [.] invalidate
   4.73%  cc1plus   cc1plus                 [.] write_dependence_p
   4.68%  cc1plus   cc1plus                 [.] estimate_calls_size_and_time
   4.11%  cc1plus   cc1plus                 [.] ix86_find_base_term
   3.41%  cc1plus   cc1plus                 [.] rtx_equal_p
   2.87%  cc1plus   cc1plus                 [.] cse_insn
   2.77%  cc1plus   cc1plus                 [.] record_store
   2.66%  cc1plus   cc1plus                 [.] vn_reference_eq
   2.48%  cc1plus   cc1plus                 [.] operand_equal_p
   1.21%  cc1plus   cc1plus                 [.] integer_zerop
   1.00%  cc1plus   cc1plus                 [.] base_alias_check

除了GCC开发人员之外，这对任何人来说都没有多大意义，但看看是什么占用了这么多编译时间仍然很有趣。

Clang 3.7.0在这方面比GCC做得更好。在-O2中，编译所需时间不到一秒钟，生成的可执行文件要小得多（8960字节），而这个程序集：

0000000000400810 <main>:
  400810:   53                      push   rbx
  400811:   48 81 ec 00 40 00 00    sub    rsp,0x4000
  400818:   48 8d 3c 24             lea    rdi,[rsp]
  40081c:   31 db                   xor    ebx,ebx
  40081e:   31 f6                   xor    esi,esi
  400820:   ba 00 40 00 00          mov    edx,0x4000
  400825:   e8 56 fe ff ff          call   400680 <memset@plt>
  40082a:   66 0f 1f 44 00 00       nop    WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  400830:   f3 0f 10 04 1c          movss  xmm0,DWORD PTR [rsp+rbx*1]
  400835:   f3 0f 5a c0             cvtss2sd xmm0,xmm0
  400839:   bf 60 10 60 00          mov    edi,0x601060
  40083e:   e8 9d fe ff ff          call   4006e0 <_ZNSo9_M_insertIdEERSoT_@plt>
  400843:   48 83 c3 04             add    rbx,0x4
  400847:   48 81 fb 00 40 00 00    cmp    rbx,0x4000
  40084e:   75 e0                   jne    400830 <main+0x20>
  400850:   31 c0                   xor    eax,eax
  400852:   48 81 c4 00 40 00 00    add    rsp,0x4000
  400859:   5b                      pop    rbx
  40085a:   c3                      ret    
  40085b:   0f 1f 44 00 00          nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]

另一方面，对于GCC 5.3.1，在没有优化的情况下，它编译得非常快，但仍然可以生成95328大小的可执行文件。使用-O2进行编译将可执行文件的大小减少到53912，但编译时间需要4秒。我肯定会向他们的bugzilla报告这件事。

您的GCC错误71165，然后与92385合并，已在GCC 12上修复。

https://gcc.godbolt.org/z/eGMq16esP

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