C编译器通过运行它来优化循环

Question

C 编译器能否通过运行循环来优化循环？

例如：

int num[] = {1, 2, 3, 4, 5}, i;
for(i = 0; i < sizeof(num)/sizeof(num[0]); i++) {
  if(num[i] > 6) {
    printf("Error in data\n");
    exit(1);
  }
}

不是每次执行程序时都运行这个，编译器可以简单地运行它并优化它吗？

Answer 1

让我们看看……（这确实是唯一的判断方法。）

拳头，我已将您的 sn-p 转换为我们可以实际尝试编译和运行的东西，并将其保存在一个名为 main.c 的文件中。

#include <stdio.h>

static int
f()
{
  const int num[] = {1, 2, 3, 4, 5};
  int i;
  for (i = 0; i < sizeof(num) / sizeof(num[0]); i++)
    {
      if (num[i] > 6)
        {
          printf("Error in data\n");
          return 1;
        }
    }
  return 0;
}

int
main()
{
  return f();
}

运行gcc -S -O3 main.c 会生成以下程序集文件（在main.s 中）。

        .file   "main.c"
        .section        .text.unlikely,"ax",@progbits
.LCOLDB0:
        .section        .text.startup,"ax",@progbits
.LHOTB0:
        .p2align 4,,15
        .globl  main
        .type   main, @function
main:
.LFB22:
        .cfi_startproc
        xorl    %eax, %eax
        ret
        .cfi_endproc
.LFE22:
        .size   main, .-main
        .section        .text.unlikely
.LCOLDE0:
        .section        .text.startup
.LHOTE0:
        .ident  "GCC: (GNU) 5.1.0"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

即使您不了解汇编，您也会注意到字符串 "Error in data\n" 不存在于文件中，因此显然必须进行某种优化。

如果我们仔细观察为main 函数生成的机器指令，

xorl    %eax, %eax
ret

我们可以看到，它所做的只是将 EAX 寄存器与自身进行异或运算（结果始终为零）并将该值写入 EAX。然后它再次返回。 EAX 寄存器用于保存返回值。正如我们所见，f 函数被完全优化掉了。

Answer 2

是的。 C 编译器unrolls loops automatically with options -O3 and -Otime。

Answer 3

您没有指定编译器，但使用带有 -O3 的 gcc 和在 for 可能之外进行大小计算，它可以做一些调整。

Answer 4

编译器可以做得更好。编译器不仅可以检查“正向”运行代码的效果，而且标准甚至允许他们在涉及潜在未定义行为的情况下反向工作代码逻辑。例如，给定：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
  int ch = getchar();
  int q;
  if (ch == 'Z')
    q=5;
  printf("You typed %c and the magic value is %d", ch, q);
  return 0;
}

编译器有权假设程序永远不会收到任何输入，这会导致在q 没有收到值的情况下到达printf；由于唯一会导致q 接收值的输入字符是'Z'，因此编译器可以合法地将代码替换为：

int main(void)
{
  getchar();
  printf("You typed Z and the magic value is 5");
}

如果用户键入Z，则原程序的行为将被明确定义，而后者的行为将与之匹配。如果用户键入任何其他内容，原始程序将调用未定义行为，因此，标准不会对编译器可能执行的操作提出任何要求。编译器将有权做任何它喜欢的事情，包括产生与键入 Z 产生的结果相同的结果。