为什么现代编译器不合并相邻的内存访问？

Question

考虑以下代码：

bool AllZeroes(const char buf[4])
{
    return buf[0] == 0 &&
           buf[1] == 0 &&
           buf[2] == 0 &&
           buf[3] == 0;
}

带有-O3 的 Clang 13 的输出程序集：

AllZeroes(char const*):                        # @AllZeroes(char const*)
        cmp     byte ptr [rdi], 0
        je      .LBB0_2
        xor     eax, eax
        ret
.LBB0_2:
        cmp     byte ptr [rdi + 1], 0
        je      .LBB0_4
        xor     eax, eax
        ret
.LBB0_4:
        cmp     byte ptr [rdi + 2], 0
        je      .LBB0_6
        xor     eax, eax
        ret
.LBB0_6:
        cmp     byte ptr [rdi + 3], 0
        sete    al
        ret

每个字节都是单独比较的，但可以优化为单个 32 位 int 比较：

bool AllZeroes(const char buf[4])
{
    return *(int*)buf == 0;
}

导致：

AllZeroes2(char const*):                      # @AllZeroes2(char const*)
        cmp     dword ptr [rdi], 0
        sete    al
        ret

我还检查了 GCC 和 MSVC，但它们都没有进行此优化。 C++ 规范不允许这样做吗？

编辑： 将短路与 (&&) 更改为按位与 (&) 将生成优化代码。此外，更改字节比较的顺序不会影响代码生成：https://godbolt.org/z/Y7TcG93sP

Answer 1

首先要了解的是f(const char buf[4])不保证指针指向4个元素，它的意思和const char *buf完全一样，4完全被语言忽略了。 （C99 对此有解决方案，但在 C++ 中不支持，更多内容见下文）

给定AllZeroes(memset(malloc(1),~0,1))，实现

bool AllZeroes(const char buf[4])
{
    return buf[0] == 0 &&
           buf[1] == 0 &&
           buf[2] == 0 &&
           buf[3] == 0;
}

应该可以工作，因为当它注意到字节#1 非零时，它从不尝试读取字节#2（不存在），而实现

bool AllZeroes(const int32_t *buf)
{
    return (*buf == 0);
}

当它尝试读取前 4 个字节而仅存在 1 个字节时应该出现段错误（仅分配 1 个字节）

FWIW Clang 通过实现在 C99 中正确（而 GCC 没有）

_Bool AllZeroes(const char buf[static 4])
{
    return buf[0] == 0 &
           buf[1] == 0 &
           buf[2] == 0 &
           buf[3] == 0;
}

编译成一样的

_Bool AllZeroes(const int32_t *buf)
{
    return (*buf == 0);
}

请参阅 https://godbolt.org/z/Grqs3En3K（感谢 Caze @libera #C 发现）

• 不幸的是，buf[static 4] 在 C99 中是从程序员到编译器的保证，即指针指向最少 4 个元素，但在 C++ 中不受支持

Answer 2

还有短路评估的事情。所以它不能像你想的那样优化。如果buf[0] == 0 是false buf[1] == 0，则不得勾选。它可以是 UB 或禁止使用的东西或其他任何东西 - 这一切都必须仍然有效。

https://en.wikipedia.org/wiki/Short-circuit_evaluation

Answer 3

如果buf[0] 不为零，则代码将不会访问buf[1]。所以函数应该返回false而不检查其他buf元素。如果buf 接近最后一个内存页的末尾，buf[1] 可能会触发访问错误。编译器应该非常小心，不要阅读可能被禁止阅读的内容。