编译器会优化这个 for 循环吗？答案

【问题标题】：Would the compiler optimize this for loop?编译器会优化这个 for 循环吗？
【发布时间】：2017-01-27 02:58:27
【问题描述】：

在 C 或 C++ 中，如果编译器遇到 for 循环，其中计数器从 0 计数到 n，并且 n 是一个变量（不是函数调用，并且 NOT一个常量），编译器是否会通过检查变量n（绑定变量）是否会在循环期间更改来优化循环（访问以进行写入，例如：n 的长度可以是在循环之前计算的字符串），这里通过优化是指将其值复制到寄存器以避免内存访问？

这是一个例子：

for (int c = 0; c < n; c++) {
    // do something not related to n
}

编译器会注意到并优化它吗？

【问题讨论】：

试试看。（填..）
我猜也取决于编译器。去这里看看会发生什么：gcc.godbolt.org
尝试使用-O0、-O1 或-O2 编译您的代码，看看GCC 在这些选项中的表现如何
另外，取决于你在 for 循环中所做的事情，如果它没有明显的副作用，它可以优化整个事情。
必须真正确定这样的变量没有改变；如果n 既不是局部变量也不是内部链接变量（例如，它是全局或对象字段）并且循环体调用函数（特别是在其他 TU 中定义的函数），编译器极难执行这种优化（也许使用 LTCG）。这就是为什么通常在这些情况下您要确保循环限制变量是本地变量。

标签： c++ c gcc optimization

【解决方案1】：

是的，至少 GCC 和大多数其他编译器会这样做。如果您尝试查看 for 循环变量是什么，当您使用 -O1 或更高版本进行编译时，调试器会说该变量已被优化。当然，编译器不需要这样做。这就是标准所说的。

for 语句

for (for-init-statement; conditionopt; expressionopt) statement

等价于

{
    for-init-statement
    while (condition) {
        statement
        expression
    }
}

【讨论】：

这是一个非常危险的假设。这取决于太多因素，包括循环中的代码或目标架构。一般来说，这是错误的。
这完全不正确。编译器允许将n 存储在寄存器中，前提是它可以证明它在其他地方没有别名（即没有指向同一内存或其他东西的指针），但这很难为了在一般情况下证明，尤其是如果n 是全局或文件范围，或者如果您曾经在某处传递了指向n 的指针。此外，系统上只有这么多寄存器，编译器可能不得不在循环体中使用它们。特别是 x86-32 系统具有少量寄存器，并且有许多破坏它们的指令。你不能在这里假设“是”
在我检查的情况下，编译器确实优化了一个寄存器，其余的答案解释说不需要优化（所有优化都是如此）。
而且我可以生成一个它不会将其放入寄存器的案例。由于该问题仅将循环体描述为//do something not related to n，因此答案是“也许有时”，而不是“是”。稍后您说编译器不必这样做的部分很好，但最初的答案确实具有误导性。（并且 for/while 等价性大多是准确的，但并不真正相关。）

【解决方案2】：

结果取决于使用的编译器。

编译器可以为 n 使用处理器寄存器，您仍然可以在循环内修改 n。所以无论如何，最小的优化都是可能的。

如果您有一个指向 n 的指针并且您使用指针间接更改 n 的值，则将变量的值放在处理器寄存器中可能会导致“别名”问题。

例如：

int n = 4;
int *nptr = &n;
for(int i = 0; i < n; ++i)
  --*nptr;

编译器必须知道 nptr 是 n 的别名，因此每次访问时都必须从内存中读取 n，但在许多情况下编译器根本没有机会知道 n 和 nptr 之间的关系。

您可以使用 volatile 关键字来阻止编译器优化变量（即volatile int n = 4;）

【讨论】：

【解决方案3】：

您应该尝试编译并自己查看。编译器的优化取决于几件事。

无论如何，为了回答你的问题，我唯一能做的就是提供一个与你最相似的具体案例。

代码很简单：

#include <string>

int main(int argc, char *argv[]) {
  std::string str = "this_is_a_string";
  int size = str.size();
  for (int i = 0; i < size; ++i) {
    str += std::to_string(i);
  }
  return 0;
}

结果汇编代码为（针对不同优化级别）：

GCC 6.2 -O0

 movl   $0x0,-0x14(%rbp)    // int i = 0;
 mov    -0x14(%rbp),%eax    // load i into the register
 cmp    -0x18(%rbp),%eax    // load size and compare with i in the register
 jge    401317 <main+0x91>  // jump if >=

GCC 6.2 -O1

 // initialization up
 add    $0x1,%ebx         // ++i (now i is stored in register)
 cmp    %ebx,-0x5c(%ebp)  // compare i and size (which is load from memory)
 je     0x80488a3 <main(int, char**)+136>  // jump if = (and not >=)

GCC 6.2 -O2

同样的-O1。

Here 使用的代码，带有程序集。

【讨论】：

【解决方案4】：

c/c++ 编译器是否会通过检查变量 n（绑定变量）在循环期间是否会更改来优化循环

“as-if”规则允许编译器重新排序或重写代码，只要可观察到的效果是“好像”它执行了您编写的代码。

这里的关键字是“可观察的”。除非可以证明n 在循环体执行期间不能改变，否则循环必须为每次迭代重新评估c < n。

如果编译器可以访问循环中的所有代码（例如，它是在同一个编译单元中定义的，或者在链接期间全局优化有不同的外观，n 永远不会被引用或指针别名）然后它很可能能够证明n 不会改变。

在这种情况下，您应该不会对看到循环以某种方式进行优化感到惊讶。

【讨论】：