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为什么gcc不删除对非易失性变量的检查?

volatile gcc optimization c

Thomas · 技术社区 · 16 年前

这个问题大多是学术性的。我问是出于好奇,不是因为这对我来说是个实际的问题。

考虑以下不正确的C程序。

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

static int running = 1;

void handler(int u) {
    running = 0;
}

int main() {
    signal(SIGTERM, handler);
    while (running)
        ;
    printf("Bye!\n");
    return 0;
}

这个程序不正确,因为处理程序中断了程序流,所以 running 可随时修改,因此应声明 volatile . 但让我们假设程序员忘记了这一点。

合同一般条件4.3.3 -O3 标志,编译循环体(在对 运行 标志)向下到无限循环

.L7:
        jmp     .L7

这是意料之中的。

现在我们把一些琐碎的东西放在 while 循环,像:

    while (running)
        putchar('.');

突然,gcc不再优化循环条件了!循环体的程序集现在如下所示(在 -O3 ):

.L7:
        movq    stdout(%rip), %rsi
        movl    $46, %edi
        call    _IO_putc
        movl    running(%rip), %eax
        testl   %eax, %eax
        jne     .L7

我们看到了 运行 每次通过循环从内存中重新加载;它甚至没有缓存在寄存器中。显然海合会现在认为 跑步 可能已经改变了。

那么为什么gcc突然决定它需要重新检查 跑步 在这种情况下?

5 回复 | 直到 14 年前

Michael Burr 16 年前

在一般情况下,编译器很难确切地知道函数可以访问哪些对象,因此可能会进行修改。在某一点上 putchar() 是的,海合会不知道 PUTHARCH() 可以修改的实现 running 所以它必须有点悲观并且假设 跑步 可能事实上已经改变了。

例如,可能有 PUTHARCH() 翻译股稍后的执行情况:

int putchar( int c)
{
    running = c;
    return c;
}

即使没有 PUTHARCH() 在翻译单元中,可能有一些东西可以传递 跑步 反对 putchar 可能可以修改它:

void foo(void)
{
    set_putchar_status_location( &running);
}

注意你的 handler() 函数是全局可访问的,因此 PUTHARCH() 可能会叫 手() 本身(直接或其他),这是上述情况的一个例子。

另一方面,因为 跑步 只对翻译单位可见 static ,当编译器到达文件末尾时,它应该能够确定 PUTHARCH() 要访问它(假设是这样),编译器可以返回并“修复”while循环中的悲观。

自从 运行 是静态的,编译器可能能够确定它不能从翻译单元外部访问,并进行您正在讨论的优化。但是,因为它可以通过 手() 和 手() 可从外部访问,编译器无法优化访问。即使你做了 手() 静态的,它可以从外部访问,因为您将它的地址传递给另一个函数。

注意,在您的第一个例子中,即使我在上面的段落中提到的仍然是正确的,编译器仍然可以优化对 运行 因为C语言所基于的“抽象机器模型”不考虑异步活动,除非在非常有限的情况下(其中之一是 volatile 关键字和另一个是信号处理,尽管信号处理的要求不足以阻止编译器优化对 运行 在你的第一个例子中)。

事实上,这里有一些C99所说的关于抽象机器在这些精确的情况下的行为:

5.1.2.3/8“程序执行”

例1:

实现可以定义抽象语义和实际语义之间的一对一对应关系:在每个序列点,实际对象的值将与抽象语义指定的值一致。关键词 不稳定的 那就多余了。

或者,一个实现可以在每个翻译单元中执行各种优化,这样,只有在跨翻译单元边界进行函数调用时,实际语义才会与抽象语义一致。在这样的实现中,当调用函数和被调用函数位于不同的转换单元中时,所有外部链接对象和通过其中指针访问的所有对象的值都与抽象语义表一致。抽搐。此外,在每一个这样的函数输入时,被调用函数的参数值和通过其中的指针可访问的所有对象的参数值将与抽象语义一致。在这种类型的实现中,由信号函数激活的中断服务例程所引用的对象将需要对易失性存储器的显式规范以及其他实现定义的限制。

最后,您应该注意,c99标准还规定:

7.14.1.1/5英寸 signal 函数

如果信号不是由于调用 abort 或 raise 函数,如果信号处理程序引用任何具有静态存储持续时间的对象,而不是为声明为 volatile sig_atomic_t …

严格地说 运行 变量可能需要声明为:

volatile sig_atomic_t running = 1;

R Samuel Klatchko 16 年前

因为打电话给 putchar() 可能会改变 running (海合会只知道 PUTHARCH() 是一个外部函数,不知道它做什么-所有gcc都知道 PUTHARCH() 可以打电话 handler() )

Mike Mueller 16 年前

gcc可能假设调用 putchar 可以修改任何全局变量,包括 running .

看看 pure 函数属性,它声明函数对全局状态没有副作用。我怀疑如果用对“纯”函数的调用替换putchar(),gcc将重新引入循环优化。

Thomas 16 年前

谢谢大家的回答和评论。他们很有帮助,但没有一个提供完整的故事。[ 编辑 :michael burr的答案是肯定的,这有点多余。]我在这里总结一下。

尽管 running 是静态的, handler 不是静态的;因此可以从 putchar 变化 运行 就这样。实施以来 输出一个字符 现在还不知道,可以想象 处理程序 从尸体上 while 循环。

假设 处理程序 是静态的。我们能优化 运行 那么检查一下吧?答案是不,因为 signal 实现也在这个编译单元之外。据海合会所知, 信号 可能存储 handle 在某个地方(事实上,确实如此),以及 输出一个字符 可能会打电话来 处理程序 通过这个指针,即使它没有直接访问该函数的权限。

所以在什么情况下可以这个 运行 检查是否优化?似乎只有当循环体不从这个翻译单元之外调用任何函数时,这才是可能的,以便在编译时知道不发生在环体内。

这解释了为什么忘记 volatile 在实践中并不像一开始看起来那么重要。

curiousguy 14 年前

putchar 可以改变 running .

理论上,只有链接时间分析才能确定它不是。