为什么除非返回值有名称，否则 GCC 无法优化？

Question

考虑这段代码：

#include <array>

class C
{
    std::array<char, 7> a{};
    int b{};
};

C slow()
{
    return {};
}

C fast()
{
    C c;
    return c;
}

GCC 6 到 9 为 slow() 生成非常臃肿的代码：

slow():
        xor     eax, eax
        mov     DWORD PTR [rsp-25], 0
        mov     BYTE PTR [rsp-21], 0
        mov     edx, DWORD PTR [rsp-24]
        mov     DWORD PTR [rsp-32], 0
        mov     WORD PTR [rsp-28], ax
        mov     BYTE PTR [rsp-26], 0
        mov     rax, QWORD PTR [rsp-32]
        ret
fast():
        xor     eax, eax
        xor     edx, edx
        ret

这两个函数的含义有区别吗？ Clang 会为两者发出类似 fast() 的代码，而 GCC 4-5 比 6-9 做得更好，但也不是很理想。

构建标志：-std=c++11 -O3

演示：https://godbolt.org/z/rPNG9o

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根据此处的反馈作为 GCC 错误提交：https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=90883

Answer 1

GCC 维护人员同意这是一个错误（错过了优化），它已在 x86_64 的主干中修复（ARM 可能稍后会修复）：https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=90883

Answer 2

这并不是真正的完整答案，但它可能会提供线索。正如我怀疑的那样，fast 和 slow 在含义上存在细微差别，这可能会使编译器走上不同的道路。如果您将复制构造函数设为私有，您可以看到这一点。

https://godbolt.org/z/FMIRe3

#include <array>

class C
{
    std::array<char, 7> a{};

    public:
    C(){}

    private:
    C(const C & c){}
};

// Compiles
C slow()
{
    return {};
}

// Does not compile
C fast()
{
    C c;
    return c;
}

即使有复制省略fast 仍然需要复制构造函数，因为slow 返回一个initialization list，它由调用者显式构造返回值。这些可能会或可能不会最终做同样的事情，但我相信编译器必须做一些处理以确定是否是这种情况。

有一篇详细的博客文章提供了有关该主题的一些有趣背景

https://akrzemi1.wordpress.com/2018/05/16/rvalues-redefined/

但是在 C++17 中行为发生了变化

而

#include <array>

class C
{
    std::array<char, 7> a{};

    public:
    C(){}

    private:
    C(const C & c){}
};

C slow()
{
    return {};
}

C fast()
{
    return C();
}

fast 在 C++11 下编译失败，现在在 C++17 下编译

https://godbolt.org/z/JG2PkD

原因是return C()的含义从返回一个临时变量变为在调用者的框架中显式构造对象。

所以现在在 C++17 中有很大的区别

C fast(){
    C c;
    return c;
}

和

C fast(){
    return C();
}

因为在第二个中，您甚至不需要复制或移动构造函数即可使用。

https://godbolt.org/z/i2eZnf

绝对不是 C++ 101

Answer 3

这两个函数是等价的：返回的对象（更准确地说，是对这些函数的假设调用的结果对象）是通过使用其默认成员初始化程序初始化每个成员来初始化的。

对于slow：

• 调用 slow 的 pr-value 结果以 {} 作为初始值设定项进行复制初始化 (stmt.return)
• 因此生成的对象是列表初始化的 ([dcl.init]/17.1)；
• 这导致我们进行聚合初始化 ([dcl.init.list]/3.4)

=> 所以调用slow 的结果对象的所有成员都使用它们的默认成员初始化程序dcl.init.aggr]/5.4 进行初始化。

对于fast：

• 首先我们假设复制省略被执行[class.copy.elision]/1.1
• 所以函数调用的结果对象默认初始化[dcl.init]/12
• 所以implicitly declared default constructor 被称为[dcl.init]/7.1。
• 这个默认构造函数等价于C(){} ([class.default.ctor]/4)

=> 所以调用slow 的结果对象的所有成员都使用它们的默认成员初始化程序[class.base.init]/9.1 进行初始化

这两个函数的生成的程序集在功能上是等效的。所以 Gcc 生产的程序集是符合标准的。

在缓慢的情况下，组装只是次优。该对象在两个寄存器上相应地返回给 SystemV x86 abi：rax 和 rdx (edx)。首先，它在地址 [rsp-32] 处将堆栈上的 C 类的对象概念归零。它将a 归零a 和b 和b 之间的填充字节。然后它将堆栈的这个初始化部分复制到寄存器上。将堆栈归零的方式不是最理想的，无论如何，所有这些操作都等效于fast 程序集的 2 个异或操作。所以这只是一个明显的错误。