C 和 C++ 优化器通常知道哪些函数没有副作用吗？

Question

对于非常常见的数学函数，例如 sin、cos 等...编译器是否意识到它们没有副作用并有能力将它们移到外循环？例如

// Unoptimized

double YSinX(double x,int y)
{
   double total = 0.0;
   for (int i = 0; i < y; i++)
      total += sin(x);
   return total;
}

// Manually optimized

double YSinX(double x,int y)
{
   double total = 0.0, sinx = sin(x);
   for (int i = 0; i < y; i++)
      total += sinx;
   return total;
}

如果可以，有没有一种方法可以将函数声明为没有副作用，从而可以安全地以这种方式进行优化？ VS2010 应用程序的初始分析表明优化是有益的。

另请参阅此related question，它很接近但并不能完全回答我自己的问题。

编辑：一些很棒的答案。我接受的那个是基于它引发的 cmets 和答案本身，特别是链接的文章，以及在设置 errno 的情况下可能不会发生提升的事实（即副作用）。因此，在我正在做的事情的背景下，这种类型的手动优化似乎仍然有意义。

Answer 1

GCC 有两个attributes、pure 和const，可用于标记此类功能。如果该函数没有副作用并且其结果仅取决于其参数，则该函数应声明为const，如果结果还可能依赖于某个全局变量，则该函数应声明为pure。最近的版本还有一个 -Wsuggest-attribute warning option 可以指向应该声明为 const 或 pure 的函数。

Answer 2

事实上，当今的常见编译器将执行您所询问的那种loop-invariant code motion 优化。有关这一点的演示，请参阅this article entitled "Will it Optimize?" 中的第二个练习，或使用gcc -S -O3 和/或clang -S -O3 组装下面的示例并检查组装中的main 入口点，就像我出于好奇所做的那样。如果你的 VS2010 编译器没有执行这个优化，没关系； llvm/clang "integrates with MSVC 2010, 2012, 2013 and 14 CTP".

从理论上讲，这两个引用解释了编译器在执行优化时所具有的范围或余量。它们来自 C11 标准。 IIRC C++11 也有类似的东西。

§5.1.2.3p4：

在抽象机中，所有表达式都按照 语义。一个实际的实现不需要评估一个 表达式，如果它可以推断出它的值没有被使用并且没有 产生了所需的副作用（包括任何由调用 函数或访问 volatile 对象）。

§5.1.2.3p6：

对一致性实现的最低要求是：

——对 volatile 对象的访问严格按照 抽象机的规则。

——程序终止时，所有写入文件的数据应 与执行程序的结果相同 会产生抽象语义。

——交互设备的输入和输出动态应取 如指定的地方 7.21.3。这些要求的目的是尽快出现无缓冲或行缓冲的输出，以确保 提示消息实际上出现在程序等待之前 输入。

这是程序的可观察行为。

因此，如果可以的话，编译器可能会将您的整个程序提升到编译时评估中。例如，考虑以下程序：

#include <math.h>
#include <stdio.h>

double YSinX(double x,int y)
{
    double total = 0.0;
    for (int i = 0; i < y; i++)
        total += sin(x);
    return total;
}

int main(void) {
    printf("%f\n", YSinX(M_PI, 4));
}

您的编译器可能会意识到该程序每次都打印0.0\n，并将您的程序优化为：

int main(void) { puts("0.0"); }

也就是说，提供你的编译器可以证明sin和YsinX都不会导致任何需要的副作用。请注意，它们可能（并且可能确实）仍然会导致副作用，但它们不是需要来生成此程序的输出。

为了展示在实践中应用的理论知识，我通过组装（使用gcc -S -O3/clang -S -O3）测试了llvm/clang（来自clang --version的3.8.0）和gcc（来自gcc --version的6.4.0）上面的代码在我的 Windows 10 系统上，两个这两个编译器都有效地应用了上述优化；在实践中，您可以期望上面示例中的 main 被转换为与 int main(void) { printf("%f", 0.0); } 等效的机器代码。

您问了一个关于“编译器”的问题。如果您指的是所有 C 或 C++ 实现，则无法保证优化，C 实现甚至不必是编译器。您需要告诉我们哪个特定的 C 或 C++ 实现；正如我上面解释的那样，LLVM/Clang“与 MSVC 2010、2012、2013 和 14 CTP 集成”，所以您可能正在使用它。如果您的 C 或 C++ 编译器无法生成最佳代码，请获取新的编译器（例如 LLVM/Clang）或自己生成优化，最好通过修改编译器，以便您可以将补丁发送给开发人员并让优化自动传播到其他项目。

Answer 3

允许在循环外提升此子表达式所需的不是纯度，而是idempotence。

幂等性意味着一个函数如果被调用一次就会有相同的副作用和结果，就好像它被多次调用并使用相同的参数一样。因此，编译器可以将函数调用放在循环之外，仅受条件保护（循环是否会至少迭代一次？）。提升优化后的实际代码为：

double YSinX(double x,int y)
{
   double total = 0.0;
   int i = 0;
   if (i < y) {
       double sinx = sin(x);  // <- this goes between the loop-initialization
                              // first test of the condition expression
                              // and the loop body
       do {
          total += sinx;
          i++;
       } while (i < y);
   }
   return total;
}

__attribute__(pure) 和 idempotent 之间的区别很重要，因为正如 adl 在他的评论中指出的那样，这些函数确实具有设置 errno 的副作用。

不过要小心，因为幂等性仅适用于没有干预指令的重复调用。编译器必须执行数据流分析以证明函数和中间代码不交互（例如，中间代码仅使用从未占用地址的局部变量），然后才能利用幂等性。当已知函数是纯函数时，这不是必需的。但纯度是一个更强大的条件，不适用于很多功能。

Answer 4

我想，是的。 如果你得到编译器反汇编输出，你可以看到，sin 在另一个标签中调用，而不是'for'的循环标签： （用g++ -O1 -O2 -O3编译）

Leh_func_begin1:
        pushq   %rbp
Ltmp0:
        movq    %rsp, %rbp
Ltmp1:
        pushq   %rbx
        subq    $8, %rsp
Ltmp2:
        testl   %edi, %edi
        jg      LBB1_2
        pxor    %xmm1, %xmm1
        jmp     LBB1_4
LBB1_2:
        movl    %edi, %ebx
        callq   _sin ;sin calculated
        pxor    %xmm1, %xmm1
        .align  4, 0x90
LBB1_3:
        addsd   %xmm0, %xmm1
        decl    %ebx
        jne     LBB1_3 ;loops here till i reaches y
LBB1_4:
        movapd  %xmm1, %xmm0

我希望我是对的。