C++编译器是否优化重复的函数调用

Do C++ compilers optimize repeated function calls?

本文关键字：函数调用 优化 编译器 是否 C++      更新时间：2023-10-16

编译器(通常或特别)会优化重复的函数调用吗？

例如，考虑一下这个案例。

struct foo {
member_type m;
return_type f() const; // returns by value
};

功能定义在一个翻译单元中

return_type foo::f() const {
/* do some computation using the value of m */
/* return by value */
}

重复的函数调用在另一个单元中

foo bar;
some_other_function_a(bar.f());
some_other_function_b(bar.f());

第二个翻译单元中的代码会转换成这个吗？

foo bar;
const return_type _tmp_bar_f = bar.f();
some_other_function_a(_tmp_bar_f);
some_other_function_b(_tmp_bar_f);

f的计算可能很昂贵，但返回的类型可能很小(想想返回double的数学函数)。编译器会这样做吗？有没有这样的情况？您可以考虑这个问题的通用版本，而不仅仅是针对成员函数或没有参数的函数。

根据@BaummitAugen的建议进行澄清：

我更感兴趣的是这个问题的理论方面，而不是人们是否可以依靠它来让现实世界的代码运行得更快。我对Linux下x8_64上的GCC特别感兴趣。

GCC绝对可以跨编译单元进行优化，如果您启用了链接时间优化，并且优化级别足够高，请参阅此处：https://gcc.gnu.org/wiki/LinkTimeOptimization除了编译时间之外，真的没有理由不同时做这两件事。

此外，您还可以通过用适当的属性标记函数来帮助编译器。您可能想用属性const标记函数，如下所示：

struct foo {
member_type m;
return_type f() const __attribute__((const)); // returns by value
};

请查看此处的GC文档，了解哪种属性是合适的：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Common-Function-Attributes.html

从更普遍的意义上讲，这对编译器来说非常容易检测到。它实际上执行的转换不那么明显。然而，链接时间优化之所以重要，是因为一旦GCC生成了实际的机器代码，它就不知道在这一点上做什么是安全的。例如，您的函数可以修改数据(在类之外)或访问易失性变量。

编辑：

GCC绝对可以做到这一优化。有了这个代码和标志-O3-fno内联：

C++代码：

#include <iostream>
int function(int c){
for(int i = 0; i != c; ++i){
c += i;
}
return c;
}
int main(){
char c;
::std::cin >> c;
return function(c) + function(c) + function(c) + function(c) + function(c);
}

装配输出：

4006a0: 48 83 ec 18             sub    rsp,0x18
4006a4: bf 80 0c 60 00          mov    edi,0x600c80
4006a9: 48 8d 74 24 0f          lea    rsi,[rsp+0xf]
4006ae: e8 ad ff ff ff          call   400660 <_ZStrsIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_istreamIT_T0_ES6_RS3_@plt>
4006b3: 0f b6 7c 24 0f          movzx  edi,BYTE PTR [rsp+0xf]
4006b8: e8 13 01 00 00          call   4007d0 <_Z8functioni>
4006bd: 48 83 c4 18             add    rsp,0x18
4006c1: 8d 04 80                lea    eax,[rax+rax*4]
4006c4: c3                      ret    
4006c5: 66 66 2e 0f 1f 84 00    data32 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
4006cc: 00 00 00 00

但是，当函数位于单独的编译单元中并且未指定-flto选项时，它确实无法做到这一点。为了澄清，这行调用函数：

call   4007d0 <_Z8functioni>

这一行将结果乘以5(将五个副本相加)：

lea    eax,[rax+rax*4]

编译器无法查看跨编译单元，因此无法在调用站点判断调用是否有副作用，因此对其进行优化是不正确的。

除非函数以及第一次和最后一次调用之间的所有函数都被声明为纯函数(即没有任何副作用)，否则编译器无法优化调用。观察以下内容：

int test();
void some(int a);
void more(int b);
int main()
{
some(test());
more(test());
}

这里，test可能会被调用两次，因为它可以返回不同的值(LTO可以通过内联引号来优化这一点："simple enough"函数)。如果您希望编译器能够优化调用，它需要知道test和some都是纯的，即为more(test())缩放test不可能返回与为some(test())调用test不同的值。因此，以下内容可以优化(并将在GCC和Clang中)为对test的单个调用：

int test() __attribute__ ((pure));
void some(int a) __attribute__ ((pure));
void more(int b);
int main()
{
some(test());
more(test());
}

(注意，more不需要是纯的。)

不幸的是，目前还没有任何标准的方法来声明一个函数为纯函数，上面是一个非标准的GCC扩展。有人建议N3744将[[pure]]添加到ISO C++中(在对纯度有更强保证的情况下，some不需要是纯的)，但我不知道它是否能达到C++17。

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