为什么 volatile 局部变量的优化与 volatile 参数不同，为什么优化器会从后者生成无操作循环？

Question

背景

这是受到此问题/答案以及随后在 cmets 中的讨论的启发：Is the definition of “volatile” this volatile, or is GCC having some standard compliancy problems?。根据其他人和我对应该发生的事情的解释，正如 cmets 中所讨论的，我已将其提交给 GCC Bugzilla：https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=71793 其他相关回复仍然欢迎。

此外，该线程已经引起了这个问题：Does accessing a declared non-volatile object through a volatile reference/pointer confer volatile rules upon said accesses?

简介

我知道volatile 不是大多数人认为的那样，是实现定义的毒蛇巢。而且我当然不想在任何实际代码中使用以下构造。也就是说，我对这些示例中发生的事情完全感到困惑，所以我非常感谢任何说明。

我的猜测是，这是由于对标准的高度细微的解释，或者（更有可能？）只是使用的优化器的极端情况。无论哪种方式，虽然学术性大于实用性，但我希望这被认为是有价值的分析，尤其是考虑到 volatile 被误解的程度。更多的数据点 - 或者更有可能是反对它的点 - 一定是好的。

输入

鉴于此代码：

#include <cstddef>

void f(void *const p, std::size_t n)
{
    unsigned char *y = static_cast<unsigned char *>(p);
    volatile unsigned char const x = 42;
    // N.B. Yeah, const is weird, but it doesn't change anything

    while (n--) {
        *y++ = x;
    }
}

void g(void *const p, std::size_t n, volatile unsigned char const x)
{
    unsigned char *y = static_cast<unsigned char *>(p);

    while (n--) {
        *y++ = x;
    }
}

void h(void *const p, std::size_t n, volatile unsigned char const &x)
{
    unsigned char *y = static_cast<unsigned char *>(p);

    while (n--) {
        *y++ = x;
    }
}

int main(int, char **)
{
    int y[1000];
    f(&y, sizeof y);
    volatile unsigned char const x{99};
    g(&y, sizeof y, x);
    h(&y, sizeof y, x);
}

输出

g++ 来自 gcc (Debian 4.9.2-10) 4.9.2（Debian stable 又名 Jessie）和命令行 g++ -std=c++14 -O3 -S test.cpp 为 main() 生成以下 ASM。版本Debian 5.4.0-6（当前unstable）产生等效代码，但我只是碰巧先运行旧版本，所以它是：

main:
.LFB3:
    .cfi_startproc

# f()
    movb    $42, -1(%rsp)
    movl    $4000, %eax
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L21:
    subq    $1, %rax
    movzbl  -1(%rsp), %edx
    jne .L21

# x = 99
    movb    $99, -2(%rsp)
    movzbl  -2(%rsp), %eax

# g()
    movl    $4000, %eax
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L22:
    subq    $1, %rax
    jne .L22

# h()
    movl    $4000, %eax
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L23:
    subq    $1, %rax
    movzbl  -2(%rsp), %edx
    jne .L23

# return 0;
    xorl    %eax, %eax
    ret
    .cfi_endproc

分析

所有 3 个函数都是内联的，并且分配 volatile 局部变量的两个函数都在堆栈上这样做，原因很明显。但这是他们唯一分享的东西......

• f() 确保在每次迭代时从 x 读取，可能是因为它的 volatile - 但只是将结果转储到 edx，可能是因为目标 y 不是'未声明 volatile 并且从未被读取，这意味着可以根据 as-if 规则对其进行更改。好的，有道理。

  • 嗯，我的意思是……有点。就像，不是真的，因为volatile 真的是用于硬件寄存器，显然本地值不能是其中之一 - 并且不能以volatile 方式修改，除非它的地址被传递出去......它不是。看，volatile 本地值没有多大意义。但是 C++ 允许我们声明它们并尝试对它们做一些事情。于是，我们一如既往地迷茫，跌跌撞撞地向前走。

• g()：什么。 通过将 volatile 源移动到传递值参数中，这仍然只是另一个局部变量， GCC 以某种方式决定它不是或 less volatile，因此它不需要每次迭代都读取它......但它仍然执行循环，尽管它的主体现在什么都不做.

• h()：通过将传递的volatile作为pass-by-reference，恢复了与f()相同的有效行为，因此循环读取volatile。 p>

  • 仅这个案例对我来说实际上是有实际意义的，因为上面针对f() 列出的原因。详细说明：想象x 指的是一个硬件寄存器，每次读取都有副作用。您不会想跳过其中任何一个。

添加#define volatile /**/ 会导致main() 成为无操作，正如您所料。因此，当存在时，即使在局部变量 volatile 上也会做一些事情......我只是不知道在g() 的情况下 what。那里到底发生了什么？

问题

• 为什么在体内声明的局部值会产生与按值参数不同的结果，而前者会让读取被优化掉？两者都被声明为volatile。既没有传递地址 - 也没有 static 地址，排除了任何内联 ASM POKEry - 所以它们永远不能被函数修改。编译器可以看到每个都是常量，不需要重新读取，volatile 只是不正确 -
  • 所以 (A) 是否在这种约束下允许被省略？ （表现好像他们没有被宣布volatile）-
  • 和 (B) 为什么只有一个被省略？某些volatile 局部变量比其他volatile 多吗？
• 暂时搁置这种不一致：优化读取后，为什么编译器仍会生成循环？ 它什么都不做！为什么优化器不删除它好像没有循环被编码？

由于优化分析的顺序等原因，这是一个奇怪的极端情况吗？由于代码是一个愚蠢的思想实验，我不会为此责备 GCC，但很高兴知道这一点。 （或者g() 是人们多年来梦寐以求的手动计时循环？）如果我们断定这与标准无关，我会将其移至他们的 Bugzilla 以供参考。

当然，从实际的角度来看，更重要的问题是，尽管我不希望这掩盖编译器极客的潜力...根据标准，如果有的话，哪个是明确定义/正确的?

Answer 1

对于 f：GCC 消除了非易失性存储（但不是负载，如果源位置是内存映射的硬件寄存器，这可能会产生副作用）。这里真的没有什么令人惊讶的。

对于 g：由于 x86_64 ABI 的参数 x 的 g 在寄存器中分配（即rdx），并且在内存中没有位置。读取通用寄存器不会产生任何可观察到的副作用，因此会消除死读。