LLVM 编译器优化错误还是什么？

Question

我偶然发现了一个我无法理解的有趣问题。

背景是：

• XCode 上的 LLVM 4.2 编译器
• 使用 c++11 支持编译
• 用-Os编译
• 为 armv7/armv7s 架构编译

现在我意识到在启用优化的情况下编译时出现的某些代码存在问题。

代码是，逐字：

static int foo(int tx, int sx, int w)
{
  int vs = 60;

  if (sx < vs*2 && tx > w - vs*2)
    return (sx + w - tx);
  else if (sx > w - vs*2 && tx < vs*2)
    return -(w - sx + tx);
  else
    return sx - tx;
}

现在，通过使用 LLDB，我逐步执行代码来追踪一个奇怪的错误，这让我意识到 if 的第一个分支是通过输入获取的

sx = 648
tx = 649
w = 768
vs = 60

（这些值直接取自 XCode 中的 locals 表，我无法查询 lldb 关于 vs 的信息，因为我猜它得到了优化。）

然后第一个分支是if (648 < 120 && ...，所以应该没有办法接受它，但它确实发生了。如果我用 -O0 编译，那么这个错误就会消失。

另外一件有趣的事情是，sx = 647 和 tx = 648 不会出现错误。

现在，事情有两个：或者我遗漏了一些非常明显的东西，以至于 10 小时的调试让我无法​​看到，或者在优化中存在某种错误。

有什么线索吗？

更多背景知识，这是生成的 ASM：

    .private_extern __ZN5Utils12wrapDistanceEiii
    .globl  __ZN5Utils12wrapDistanceEiii
    .align  2
    .code   16                      @ @_ZN5Utils12wrapDistanceEiii
    .thumb_func __ZN5Utils12wrapDistanceEiii
__ZN5Utils12wrapDistanceEiii:
    .cfi_startproc
Lfunc_begin9:
@ BB#0:
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:w <- R2+0
    @DEBUG_VALUE: vs <- 60+0
    sub.w   r3, r2, #120
    cmp r1, #119
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:w <- R2+0
    it  le
    cmple   r3, r0
Ltmp42:
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:w <- R2+0
    ittt    lt
    sublt   r0, r1, r0
Ltmp43:
    addlt   r0, r2
    @DEBUG_VALUE: vs <- 60+0
    bxlt    lr
Ltmp44:
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:w <- R2+0
    @DEBUG_VALUE: vs <- 60+0
    cmp r3, r1
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:w <- R2+0
    it  lt
    cmplt   r0, #119
Ltmp45:
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:w <- R2+0
    itttt   le
    suble   r1, r2, r1
Ltmp46:
    addle   r0, r1
Ltmp47:
    rsble   r0, r0, #0
    @DEBUG_VALUE: vs <- 60+0
    bxle    lr
Ltmp48:
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:tx <- R0+0
    @DEBUG_VALUE: wrapDistance:sx <- R1+0
    @DEBUG_VALUE: vs <- 60+0
    subs    r0, r1, r0
Ltmp49:
    @DEBUG_VALUE: vs <- 60+0
    bx  lr
Ltmp50:
Lfunc_end9:
    .cfi_endproc

如果我在 if 子句之前放置一个打印，例如 printf("%d < %d - %d",sx,vs*2,sx < vs*2)，那么错误就会消失。

这个简单的测试用例存在问题：

for (int i = 0; i < 767; ++i)
{
  printf("test: %d, %d, %d",i,i+1,Utils::wrapDistance(i+1, i, 768))
}

...
test: 641, 642, -1
test: 642, 643, -1
test: 643, 644, -1
test: 644, 645, -1
test: 645, 646, -1
test: 646, 647, -1
test: 647, 648, -1
test: 648, 649, -769
test: 649, 650, -1
test: 650, 651, -1
test: 651, 652, -1
test: 652, 653, -1
test: 653, 654, -1
test: 654, 655, -1
...

EDIT2

我设法在一个独立程序中重现了这个错误，我只是创建了一个空的 iOS 项目，然后我定义了两次函数，一次在 AppDelegate.mm 中直接从同一个文件中调用，另一次在单独的文件中调用文件：

Test.h

#ifndef TEST_H_
#define TEST_H_

class Utils
{
  public:
    static int wrapDistance(int tx, int sx, int w);
};

#endif

Test.cpp

#include "Test.h"

int Utils::wrapDistance(int tx, int sx, int w)
{
  int vs = 60;

  if (sx < vs*2 && tx > w - vs*2)
    return (sx + w - tx);
  else if (sx > w - vs*2 && tx < vs*2)
    return -(w - sx + tx);
  else
    return sx - tx;
}

AppDelegate.mm

#import "AppDelegate.h"
#include "Test.h"

int wrapDistance(int tx, int sx, int w)
{
  int vs = 60;

  if (sx < vs*2 && tx > w - vs*2)
    return (sx + w - tx);
  else if (sx > w - vs*2 && tx < vs*2)
    return -(w - sx + tx);
  else
    return sx - tx;
}

@implementation AppDelegate

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions
{
  ...

  for (int i = 0; i < 767; ++i)
  {
    NSLog(@"test inside: %d, %d, %d",i,i+1,wrapDistance(i+1, i, 768));
    NSLog(@"test outside: %d, %d, %d",i,i+1,Utils::wrapDistance(i+1, i, 768));
  }

    return YES;
}

...

输出

test inside: 644, 645, -1
test outside: 644, 645, -1
test inside: 645, 646, -1
test outside: 645, 646, -1
test inside: 646, 647, -1
test outside: 646, 647, -1
test inside: 647, 648, -1
test outside: 647, 648, -1
test inside: 648, 649, -1
test outside: 648, 649, -769
test inside: 649, 650, -1
test outside: 649, 650, -1
test inside: 650, 651, -1
test outside: 650, 651, -1
test inside: 651, 652, -1
test outside: 651, 652, -1

如您所见，在被调用的文件中定义的函数的行为是正确的，但同样的事情不适用于另一个，这显示了相同的错误。如果我强制不使用__attribute__ ((noinline)) 内联内部函数，那么这两个函数都会失败。我真的在黑暗中摸索。

Answer 1

首先，您的测试用例暗示它实际上错误地采用了else if 分支。

但我收回了；生成的 ASM 中似乎确实存在错误。^*

这里是您的 ASM 的格式化/注释版本，用于失败的测试：

% r0 = tx = 649
% r1 = sx = 648
% r2 = w  = 768

% w - vs*2
sub.w   r3, r2, #120         % r3 = 648

% if (sx < vs*2)
cmp r1, #119
it  le                       % (1) Not taken
  % if ((w - vs*2) < tx)
  cmple   r3, r0
ittt    lt                   % (2) Not taken
  % return (sx + w - tx)
  sublt   r0, r1, r0
  addlt   r0, r2
  bxlt    lr

% if ((w - vs*2) < sx)
cmp r3, r1
it  lt                       % (3) Not taken
  % if (tx < vs*2)
  cmplt   r0, #119
itttt   le                   % (4) Taken!  <<<<<<<<<<<<<
  % return -(w - sx + tx)
  suble   r1, r2, r1
  addle   r0, r1
  rsble   r0, r0, #0
  bxle    lr

% return sx - tx
subs    r0, r1, r0
bx  lr

条件 (3) 和 (4) 应该一起工作以实现两个子表达式的逻辑与。理论上，只有在块 (3) 被执行并且随后的比较设置了适当的状态标志时，块 (4) 才会被执行。^**

但是，这执行不正确。比较(3)设置Z，表示不触发条件(3)（需要N!=V），所以不执行条件(4)。到目前为止还好。但是足以触发条件（4）（需要(Z==1) || (N!=V)），导致你看到的问题。

总而言之，这里有四种可能性：

1. 针对 ARM7 的 LLVM 后端确实存在错误。
2. 您提供的 C 代码实际上并不是您正在编译的代码。
3. 您在其他地方有一些无效的 C 代码触发了未定义的行为，从而导致生成无意义的 ASM 作为副作用。
4. 我上面的分析不正确！

---

_{* 虽然现在是凌晨 12 点 40 分，所以我可能记错了...}

_{** http://blogs.arm.com/software-enablement/206-condition-codes-1-condition-flags-and-codes/}