如果在编译时迭代次数未知，GCC 如何展开循环？答案

【问题标题】：How can GCC unroll a loop if its number of iterations is unknown at compile time?如果在编译时迭代次数未知，GCC 如何展开循环？
【发布时间】：2015-07-01 16:37:22
【问题描述】：

当我找到-funroll-all-loops 选项时，我正在阅读optimization options for GCC。

它的描述如下：

展开所有循环，即使它们的迭代次数不确定循环进入。这通常会使程序运行得更慢。 “-funroll-all-loops”意味着与“-funroll-loops”相同的选项

如果循环的迭代次数在编译时未知，编译器如何展开循环？编译器不需要这些信息来展开它吗？它会生成什么对应的 C 代码，如果它通常会使程序运行得更慢，这在什么情况下会有用？

【问题讨论】：

@Olaf 这不是一个具体的问题吗？ OP 明确询问 gcc（特定的 C 编译器）如何知道如果循环的边界未知，如何展开循环。
@Olaf 如果我想知道特定编译器选项的作用，那它太宽泛了？
@paulsm4 我不这么认为。如果编译器已经知道边界，那么决定归结为实际展开多少。这个问题不是问那个。
您可能会发现在my answer 到Switch case weird scoping 中有关达夫设备的讨论很有帮助。（其他海报也提到了达夫的设备。）

标签： c gcc optimization loop-unrolling

【解决方案1】：

如果这通常会使程序运行得更慢，这在什么情况下会有用？

他们假设如果你选择这个选项你知道你在做什么，如果你不知道你不应该使用这个选项。

gcc 是做什么的，我用了这个示例程序：

#include <stdio.h>

void f(int j )
{
  for( int k = 0; k < j; ++k )
  {
    printf( "%d\n", k ) ;
  }
}

并用godbolt对其进行了测试，它会根据剩余的迭代次数生成一个跳转表（see it live）：

cmpl    $1, %ebp
movl    $1, %ebx
je  .L1
testl   %r12d, %r12d
je  .L27
cmpl    $1, %r12d
je  .L28
cmpl    $2, %r12d
je  .L29
cmpl    $3, %r12d
je  .L30
cmpl    $4, %r12d
je  .L31
cmpl    $5, %r12d
je  .L32
cmpl    $6, %r12d
je  .L33

【讨论】：

当然，有了printf，收益基本上为零；-)

【解决方案2】：

这里有一些 C 代码展示了如何做到这一点：

int iterations = 100;
int unrollValue = 8;

while (iterations%unrollvalue)
{
   // insert loop code here
   iterations--;
}

while (iterations)
{
   // insert unrollValue copies of loop code here
   iterations-= unrollValue;
}

编译器会将第一个循环替换为相对跳转，但这在 C 中不容易表示。请注意，展开 2 的幂允许编译器使用掩码而不是（昂贵的）除法运算。

【讨论】：

【解决方案3】：

它可以做这样的事情：

while(n >= 8){
  foo(); foo(); foo(); foo(); foo(); foo(); foo(); foo(); 
  n -= 8;
}
while(n > 0){
  foo();
  n--;
}

当然，达夫的设备可以省去编写第二个循环的麻烦。

为什么要这样做？这取决于用户。如果foo() 花费的周期超过几个周期，或如果原始循环花费的时间少于整个挂钟时间的 5%，或如果 n 通常很小，这可能不值得麻烦。

【讨论】：

【解决方案4】：

您不能假设编译器的中间表示存在对应的 C 代码。但在这种情况下，我希望最接近的等价物类似于 Duff's Device，它是可以在计算位置输入的序列（通常在循环中）。

【讨论】：