未能优化看似明显的循环不变量(但volatile限定符有魔力)

螺栓连接: https://godbolt.org/g/Hv6MAL

typedef int cell;

cell y;
const cell *phys_addr = (const cell*)0x12340;
int main() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        for (int j = 0; j < 30; j++) {
            for (int k = 0; k < 50; k++) {
                const cell *subarray = (&phys_addr[i] + phys_addr[i]/sizeof(cell));
                const cell *subsubarray = (&subarray[j] + subarray[j]/sizeof(cell));
                y = subsubarray[k];
            }
        } 
    }
}

期望编译器将上述代码优化为类似于:

int main() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        const cell *subarray = (&phys_addr[i] + phys_addr[i]/sizeof(cell));
        for (int j = 0; j < 30; j++) {
            const cell *subsubarray = (&subarray[j] + subarray[j]/sizeof(cell));
            for (int k = 0; k < 50; k++) {
                y = subsubarray[k];
            }
        } 
    }
}

但是gcc 8.2生成的程序集 -O3 -m32 标志是:

  push ebp
  push edi
  push esi
  push ebx
  sub esp, 8
  mov eax, DWORD PTR phys_addr
  mov DWORD PTR [esp], 0
  mov DWORD PTR [esp+4], eax
  mov ebp, eax
.L4:
  xor esi, esi
.L3:
  lea edi, [0+esi*4]
  xor eax, eax
.L2:
  mov edx, DWORD PTR [ebp+0]
  mov ecx, DWORD PTR [esp+4]
  shr edx, 2
  add edx, DWORD PTR [esp]
  lea ebx, [ecx+edx*4]
  lea edx, [eax+esi]
  add eax, 1
  mov ecx, DWORD PTR [ebx+edi]
  shr ecx, 2
  add edx, ecx
  mov edx, DWORD PTR [ebx+edx*4]
  mov DWORD PTR y, edx
  cmp eax, 50
  jne .L2
  add esi, 1
  cmp esi, 30
  jne .L3
  add DWORD PTR [esp], 1
  mov eax, DWORD PTR [esp]
  add ebp, 4
  cmp eax, 20
  jne .L4
  add esp, 8
  xor eax, eax
  pop ebx
  pop esi
  pop edi
  pop ebp
  ret

为什么编译器不移动 subarray 和 subsubarray 在内环之外的计算?

随机的 volatile 施魔法

我随机添加 不稳定的 为了防止DCE删除所有代码,然后不知何故将循环不变量从内部循环中取出。

int main() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        for (int j = 0; j < 30; j++) {
            for (int k = 0; k < 50; k++) {
                const cell *subarray = (&phys_addr[i] + phys_addr[i]/sizeof(cell));
                const cell *subsubarray = (&subarray[j] + subarray[j]/sizeof(cell));
                volatile cell y = subsubarray[k];
            }
        } 
    }
    return 0;
}

这主要不是因为 y 使用后成为局部变量 std::cout << subsubarray[k]; 阻止了优化。

gcc 8.2生成的程序集 -臭氧-m32 由于上述代码的标志是:

main:
  push ebp
  push edi
  xor edi, edi
  push esi
  push ebx
  sub esp, 20
  mov ebp, DWORD PTR phys_addr
.L4:
  mov eax, DWORD PTR [ebp+0+edi*4]
  xor ecx, ecx
  shr eax, 2
  add eax, edi
  lea ebx, [ebp+0+eax*4]
  lea esi, [ebx+200]
.L3:
  mov edx, DWORD PTR [ebx+ecx*4]
  mov DWORD PTR [esp], ecx
  shr edx, 2
  add edx, ecx
  sal edx, 2
  lea eax, [ebx+edx]
  add edx, esi
.L2:
  mov ecx, DWORD PTR [eax]
  add eax, 4
  mov DWORD PTR [esp+16], ecx
  cmp edx, eax
  jne .L2
  mov ecx, DWORD PTR [esp]
  add ecx, 1
  cmp ecx, 30
  jne .L3
  add edi, 1
  cmp edi, 20
  jne .L4
  add esp, 20
  xor eax, eax
  pop ebx
  pop esi
  pop edi
  pop ebp
  ret

循环不变量从内部循环中推出。随机的是什么 不稳定的 是否允许GCC优化不变量?优化不会发生在 叮当6.0.0 .