从 g++ 输出中删除不必要的汇编语句答案

【问题标题】：Remove needless assembler statements from g++ output从 g++ 输出中删除不必要的汇编语句
【发布时间】：2020-01-27 14:56:51
【问题描述】：

我正在调查本地二进制文件的一些问题。我注意到 g++ 创建了很多对我来说似乎没有必要的 ASM 输出。以-O0 为例：

Derived::Derived():
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    subq    $16, %rsp          <--- just need 8 bytes for the movq to -8(%rbp), why -16?
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    %rax, %rdi         <--- now we have moved rdi onto itself.
    call    Base::Base()
    leaq    16+vtable for Derived(%rip), %rdx
    movq    -8(%rbp), %rax     <--- effectively %edi, does not point into this area of the stack
    movq    %rdx, (%rax)       <--- thus this wont change -8(%rbp)
    movq    -8(%rbp), %rax     <--- so this statement is unnecessary
    movl    $4712, 12(%rax)
    nop
    leave
    ret

选项-O1 -fno-inline -fno-elide-constructors -fno-omit-frame-pointer:

Derived::Derived():
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    pushq   %rbx
    subq    $8, %rsp       <--- reserve some stack space and never use it.
    movq    %rdi, %rbx
    call    Base::Base()
    leaq    16+vtable for Derived(%rip), %rax
    movq    %rax, (%rbx)
    movl    $4712, 12(%rbx)
    addq    $8, %rsp       <--- release unused stack space.
    popq    %rbx
    popq    %rbp
    ret

此代码用于Derived 的构造函数，该构造函数调用Base 基本构造函数，然后覆盖位置0 处的vtable 指针，并将常量值设置为它所包含的int 成员以及Base 包含的内容。

问题：

我能否在翻译程序时尽量减少优化并去掉这些东西？我必须设置哪些选项？还是编译器无法使用-O0 或-O1 检测到这些情况，并且无法绕过它们？
为什么会生成subq $8, %rsp 语句？您不能优化一开始就没有意义的语句。为什么编译器会生成它呢？即使使用 O0，寄存器分配算法也不应该为不存在的东西生成代码。那为什么会这样呢？

【问题讨论】：

AFAIK，编译器专门这样做是为了改善您的调试体验。
没有效果的循环移动如何改善调试体验。请详细说明。
调试器可以查看-8(%rbp) 以查看%rdi（某个局部变量？）的值，即使%rdi 稍后被重用（以保存一些其他局部变量）。至少如果我正确解释了程序集（我不习惯这种语法）。调试器此时更改此值也很简单，因为它会被再次读回。
%rdi 实际上是指向堆栈上方的Derived 对象的指针。该函数没有局部变量（或者不应该有——谁知道g++在内部做了什么）。
改进C调试。如果您正在阅读/调试 asm，请至少使用 -Og。顺便说一句，你的函数是一个非静态类成员函数，所以它有一个隐含的 arg：rdi 中的this。由于-O0，哪个 g++ 溢出到堆栈中。请参阅Why does clang produce inefficient asm with -O0 (for this simple floating point sum)? 了解原因。

标签： c++ assembly compiler-construction g++

【解决方案1】：

编译器无法使用-O0 或-O1 检测这些情况是否有原因

正是因为您告诉编译器不要这样做。这些是优化级别，需要关闭或关闭才能进行正确调试。您还在用编译时间换取运行时间。

您以错误的方式通过望远镜观察，看看当您启动up优化时，您的编译器会为您做哪些很棒的优化。

【讨论】：

@hochl 实验表明你的假设是错误的。你有什么问题？
@hochl 编译器的工作是减少抽象机器上指定的抽象。但是在低优化级别，它会留下更多的抽象，这可能只是将自己暴露为次优的组装（例如，即使在不再需要“变量”之后仍然保留它们） - 不足为奇，因为你没有要求进行最佳组装。在低优化级别，它还会做某些事情来使调试符号更有意义并帮助调试器（例如保留仍在范围内但之后未使用的变量的值）。
出于调试目的引入这个有很多原因。 OTOH 它是一个有用的金丝雀（尽管不是在这种情况下），我相信其他有更多调试经验的人可以提供更好的答案。我认为在设置 O0 甚至 O1 之后对此抱怨太多是不合理的。你根本没有要求非常积极的优化，所以你不会得到它。您已经找到了一个例子，人们很难证明这个额外的堆栈空间是合理的，但在某些情况下证明它的合理性会容易得多。
这就是重点——即使没有优化，这也不应该是任何输出的一部分。编译器如何创建它？不是-O0 意味着please add some bogus code that does nothing for an entity that is not there。我想这个问题确实需要深入了解 G++ 的内部知识才能回答:(顺便说一句，我尝试使用 clang++，情况更糟。
这不是“请添加一些对不存在的实体不起作用的虚假代码”，而是“嘿，您知道您使用的那些标准技术在某些情况下可能看起来完全无用吗？我不在乎你是否会在它没有取得任何成果的情况下删除它们”这不需要对编译器实现有深入的了解，它要求你了解代码生成器执行的一般实践来帮助调试。如果您说您不在乎是否在不需要时将其删除，则在不需要时不会将其删除。这可能需要转移到聊天中

【解决方案2】：

我在您的-O1 输出中没有看到任何明显的优化遗漏。当然除了将 RBP 设置为帧指针，但您使用 -fno-omit-frame-pointer 如此清楚地知道为什么 GCC 没有优化它。

函数没有局部变量

你的函数是一个非静态类成员函数，所以它有一个隐含的参数：this in rdi。由于-O0，哪个 g++ 溢出到堆栈中。函数 args 算作局部变量。

没有效果的循环移动如何改善调试体验。请详细说明。

为了改进 C/C++ 调试：调试信息格式只能描述 C 变量相对于 RSP 或 RBP 的位置，而不是它当前所在的寄存器。此外，您可以修改任何带有调试器的变量并继续，得到预期的结果，就好像你在 C++ 抽象机中那样。每条语句都被编译成一个单独的 asm 块，寄存器中没有有效值（有趣的事实：register int foo 除外：该关键字确实会影响调试模式代码生成）。

Why does clang produce inefficient asm with -O0 (for this simple floating point sum)? 也适用于 G++ 和其他编译器。

我必须设置哪些选项？

如果您正在阅读/调试 asm，请至少使用 -Og 或更高版本来禁用 -O0 的调试模式溢出所有语句之间的行为。最好是-O2 或-O3，除非你喜欢看到比完全优化更多的错过的优化。但是-Og 或-O1 将进行寄存器分配并进行合理的循环（条件分支在底部），以及各种简单的优化。虽然仍然不是 xor-zeroing 的标准窥视孔。

How to remove "noise" from GCC/clang assembly output? 解释了如何编写接受 args 并返回值的函数，这样您就可以编写不会优化掉的函数。

加载到 RAX 然后 movq %rax, %rdi 只是 -O0 的副作用。 GCC 只花很少的时间优化程序逻辑的 GIMPLE 和/或 RTL 内部表示（在发出 x86 asm 之前），它甚至没有注意到它可能已经加载到 RDI 中。 -O0的部分意义在于编译快，调试一致。

为什么会生成subq $8, %rsp 语句？

因为 ABI 要求在 call 指令之前进行 16 字节堆栈对齐，而此函数执行偶数个 8 字节 pushes。（call 本身会推送一个返回地址）。没有-fno-omit-frame-pointer，它会在-O1 消失，因为您不会强制g++ 推送/弹出RBP 以及它实际需要的调用保留寄存器。

Why does System V / AMD64 ABI mandate a 16 byte stack alignment?

有趣的事实：clang 经常使用虚拟的 push %rcx/pop 或其他东西，这取决于 -mtune 选项，而不是 8 字节的 sub。

如果它是一个叶函数，g++ 只会将 RSP 下面的红色区域用于本地，即使在 -O0。 Why is there no "sub rsp" instruction in this function prologue and why are function parameters stored at negative rbp offsets?

在未优化的代码中，G++ 分配一个它从未使用过的额外 16 个字节并不罕见。即使有时启用优化，g++ 在瞄准 16 字节边界时也会将其堆栈分配大小四舍五入。这是一个错过优化的错误。例如Memory allocation and addressing in Assembly

【讨论】：