C++ 编译器是否优化重复的函数调用？

Question

编译器（通常或特别）是否优化重复的函数调用？

例如，考虑这种情况。

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

函数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 的计算可能会很昂贵，但返回的类型可能非常小（考虑一个返回 double 的数学函数）。编译器会这样做吗？是否有他们这样做或不这样做的情况？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：

我对这里问题的理论方面更感兴趣，而不是是否可以依靠它来使现实世界的代码运行得更快。我对 Linux x86_64 上的 GCC 特别感兴趣。

Answer 1

编译器无法跨编译单元查看，因此无法在调用站点判断调用是否有副作用，因此将其优化掉是不正确的。

Answer 2

除非函数以及函数的第一次和最后一次调用之间的所有函数都声明为纯函数（即没有任何副作用），否则编译器无法优化调用。请注意以下几点：

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：“足够简单”的函数）。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()) 调用test 不可能返回与调用test 时不同的值some(test())。因此，可以将以下内容优化（并且将在 GCC 和 Clang 中）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方法可以将函数声明为纯函数，以上是非标准的 GCC 扩展。有proposal N3744 将[[pure]] 添加到ISO C++（对纯度有更强的保证，some 在此下不需要是纯的）但我不知道它是否会成为C++ 17 或不是。

Answer 3

如果您启用了链接时间优化并且优化级别足够高，那么 GCC 绝对会跨编译单元进行优化，请参见此处：https://gcc.gnu.org/wiki/LinkTimeOptimization 除了编译时间之外，真的没有理由不同时执行这两项操作。

此外，您始终可以通过使用适当的属性标记函数来帮助编译器。您可能希望使用 const 属性标记函数，如下所示：

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

在此处查看 GCC 文档以了解哪个属性是合适的：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Common-Function-Attributes.html

在更一般的意义上，编译器很容易检测到这一点。它实际上执行了不太明显的转换。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，它就不会真正知道此时做什么是安全的。例如，您的函数可以修改数据（在您的类之外）或访问 volatile 变量。

编辑：

GCC 绝对可以进行这种优化。使用此代码和标志 -O3 -fno-inline：

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);
}

汇编输出：

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，当函数在单独的编译单元中并且未指定 -flto 选项时，它确实无法执行此操作。澄清一下，这一行调用了函数：

call   4007d0 <_Z8functioni>

这一行将结果乘以 5（将五个副本相加）：

lea    eax,[rax+rax*4]