GCC 的函数 __attribute__ 可以与虚函数一起使用吗？

Question

GCC C++ 编译器通过function attributes 提供一系列扩展，例如：

int square(int) __attribute__((const));

特别是两个属性，const 和 pure，允许您声明函数的求值没有副作用并且仅取决于其参数 (const)，或仅取决于其参数和全局变量 (@ 987654326@)。这允许消除公共子表达式，这可能会导致调用此类函数的次数少于在代码中编写的次数。

我的问题是这是否可以安全、正确和合理地用于虚拟成员函数：

struct Foo
{
    virtual int square(int) __attribute__((pure));   // does that make sense?
};

这有什么合理的语义吗？是否允许？或者它只是被忽略了？恐怕我在 GCC 文档中找不到这个问题的答案。

这个问题的原因是有一系列编译器选项-Wsuggest-attribute，它们使 GCC 产生建议，说明可以将这些属性放置在何处以改进代码。然而，似乎最终甚至对虚拟功能也提出了这些建议，我想知道这些建议是否应该被认真对待。

Answer 1

在您链接到的文档中，在 const 属性的描述下有这个注释：

请注意，具有指针参数并检查指向的数据的函数不得声明为 const。

我会说这包括成员函数，因为它们有一个隐式指针参数（至少虚函数需要检查它才能到达 vtable，不是吗？）。

他们似乎在这个帖子中得出了类似的结论：http://gcc.gnu.org/ml/gcc/2011-02/msg00460.html

Answer 2

GCC 允许并接受。它通常不被忽略（你知道这一点，因为 GCC 总是输出warning: attribute ignored，当它完全忽略一个属性时，它不会在这里）。但也请阅读最后一段。

这是否有意义是另一个问题。虚函数可以被重载，你可以在没有属性的情况下重载它。这会引发下一个问题：这合法吗？

人们会期望具有不同属性的函数具有不同的签名（例如使用const 限定符或不同的异常规范），但事实并非如此。 GCC 在这方面将它们视为完全相同。您可以通过从Foo 派生Bar 并实现成员函数非常量来验证这一点。那么

decltype(&Bar::square) f1 = &Foo::square;
decltype(&Foo::square) f2 = &Bar::square;

将在第二行给出编译时错误，但不会在第一行，正如您所期望的那样。如果签名不同（尝试使函数具有 const 限定，而不是使用属性！），first 行已经给出了错误。

最后，它是否安全，是否有意义？它总是安全的，编译器必须确保它是安全的。在一定范围内，它在语义上确实有意义。

从语义的角度来看，声明一个函数 const 或 pure 是“正确的”，如果它确实是这样的话。但是，就您向界面的用户做出可能不真实的“承诺”而言，这有点尴尬。有人可能会在派生类上调用这个函数，该函数在所有外观上都是const，但事实并非如此。编译器必须确保它仍然可以工作，但用户对性能的期望可能与现实有所不同。

将函数标记为const 或pure 可能允许编译器更好地优化。现在，使用虚函数，这有点困难，因为一个对象可能是派生类型，而这不是真的！
这必然意味着编译器必须忽略优化的属性，除非虚拟调用可以静态解析。这种情况可能仍然经常发生，但不是一般情况。

Answer 3

第一个问题是这些属性是否甚至对虚拟方法具有有效的语义。在我看来，他们确实如此。我希望如果一个虚函数被标记为纯，你会向编译器保证所有实现只依赖于它们的参数和全局内存中的数据（并且不要改变它），其中全局内存中的数据也将包括物体。如果一个虚函数被标记为 const 这意味着它只能依赖于它的参数，甚至不允许它检查对象的内容。编译器必须强制所有重写虚方法声明属性至少与其父级一样强。

下一个问题是 GCC 是否使用这些属性进行优化。在下面的测试程序中，您可以看到版本 4.6.3 没有（尝试使用 -O3 编译到汇编器，您会看到循环已展开）。

struct A {
    virtual int const_f(int x) __attribute__((const)) = 0;
};

int do_stuff(A *a) {
    int b = 0;
    for (int i=0; i<10; i++) {
        b += a->const_f(0);
    }
    return b;
}

即使在下面的程序中，在编译时类型是已知的，编译器也不会优化循环。

struct A {
    virtual int const_f(int x) __attribute__((const)) = 0;
};

struct B : public A {
    int const_f(int x) __attribute__((const));
};

int do_stuff(B *b) {
    int c = 0;
    for (int i=0; i<10; i++) {
        c += b->const_f(0);
    }
    return c;
}

从 A 中删除继承（从而使方法成为非虚拟方法）允许编译器进行预期的优化。

没有关于这些属性的标准或文档，因此我们可以拥有的最佳参考是实现。由于它们目前没有效果，我建议避免在虚拟方法上使用它们，以防将来行为发生意外变化。

Answer 4

G++ 4.8.1 似乎尊重虚拟成员函数上的 pure 和 const 函数属性，当且仅当函数通过静态绑定调用时。

给定以下源代码：

struct Base {
    void w();
    void x() __attribute__ ((const));
    virtual void y();
    virtual void z() __attribute__ ((const));
};

struct Derived : public Base {
    void w() __attribute__ ((const));
    void x();
    virtual void y() __attribute__ ((const));
    virtual void z();
};

void example() {
    Base b, *pb;
    Derived d, *pd;
    b.w(); // called
    b.x(); // not called
    b.y(); // called
    b.z(); // not called
    pb->w(); // called
    pb->x(); // not called
    pb->y(); // called
    pb->z(); // called
    d.w(); // not called
    d.x(); // called
    d.y(); // not called
    d.z(); // called
    pd->w(); // not called
    pd->x(); // called
    pd->y(); // called
    pd->z(); // called
}

...编译器生成以下（摘录）汇编代码：

void example() {
    Base b, *pb;
    Derived d, *pd;
    b.w(); // called
  1c:   e8 00 00 00 00          callq  21 <_Z7examplev+0x21>
    b.x(); // not called
    b.y(); // called
  21:   48 89 e7                mov    %rsp,%rdi
  24:   e8 00 00 00 00          callq  29 <_Z7examplev+0x29>
    b.z(); // not called
    pb->w(); // called
  29:   48 89 df                mov    %rbx,%rdi
  2c:   e8 00 00 00 00          callq  31 <_Z7examplev+0x31>
    pb->x(); // not called
    pb->y(); // called
  31:   48 8b 2b                mov    (%rbx),%rbp
  34:   48 89 df                mov    %rbx,%rdi
  37:   ff 55 00                callq  *0x0(%rbp)
    pb->z(); // called
  3a:   48 89 df                mov    %rbx,%rdi
  3d:   ff 55 08                callq  *0x8(%rbp)
    d.w(); // not called
    d.x(); // called
  40:   48 8d 7c 24 10          lea    0x10(%rsp),%rdi
  45:   e8 00 00 00 00          callq  4a <_Z7examplev+0x4a>
    d.y(); // not called
    d.z(); // called
  4a:   48 8d 7c 24 10          lea    0x10(%rsp),%rdi
  4f:   e8 00 00 00 00          callq  54 <_Z7examplev+0x54>
    pd->w(); // not called
    pd->x(); // called
  54:   48 89 df                mov    %rbx,%rdi
  57:   e8 00 00 00 00          callq  5c <_Z7examplev+0x5c>
    pd->y(); // called
  5c:   48 8b 2b                mov    (%rbx),%rbp
  5f:   48 89 df                mov    %rbx,%rdi
  62:   ff 55 00                callq  *0x0(%rbp)
    pd->z(); // called
  65:   48 89 df                mov    %rbx,%rdi
  68:   ff 55 08                callq  *0x8(%rbp)
}