为什么 Clang 优化这段代码？

Question

代码的目的是找到代表 0 到 1 之间值的 32 位浮点位模式的总数。在我看来这应该可行，但由于某种原因，Clang 的汇编输出基本上是相当于return 0;。

我用 Clang 3.3 和 Clang 3.4.1 编译了这个，使用 -std=c++1y -Wall -Wextra -pedantic -O2 和 -std=c++1y -Wall -Wextra -pedantic -O3

Clang 3.4 使用 -O2 和 -O3 优化了一切。

Clang 3.3 仅使用 -O3 优化所有内容。

“优化一切”我的意思是这是程序的汇编输出：

main:                                   # @main
    xorl    %eax, %eax
    ret

#include <limits>
#include <cstring>
#include <cstdint>

template <class TO, class FROM>
inline TO punning_cast(const FROM &input)
{
    TO out;
    std::memcpy(&out, &input, sizeof(TO));
    return out;
}

int main()
{
    uint32_t i = std::numeric_limits<uint32_t>::min();
    uint32_t count = 0;

    while (1)
    {
        float n = punning_cast<float>(i);
        if(n >= 0.0f && n <= 1.0f)
            count++;
        if (i == std::numeric_limits<uint32_t>::max())
            break;
        i++;
    }

    return count;
}

Answer 1

这是一个更简单的测试用例，指出这是一个编译器错误：

http://coliru.stacked-crooked.com/a/58b3f9b4edd8e373

#include <cstdint>

int main()
{
    uint32_t i = 0;
    uint32_t count = 1;

    while (1)
    {
        if( i < 5 )
            count+=1;

        if (i == 0xFFFFFFFF)
            break;
        i++;
    }

    return count; // should return 6
}

程序集显示它输出 1，而不是 6。它也不认为这是一个无限循环，在这种情况下，程序集不会从 main 返回。

Answer 2

这不是一个答案，而是一个太大而无法评论的数据点。

有趣的是，如果您在返回之前打印count，那么clang 将仍然优化所有内容并使用-O3 和1065353218 和-O0 打印0。 （请注意，echo $? 报告返回值总是 2，无论实际返回是什么）。对我来说，这使它看起来像一个编译器错误。

如果您将while 变成for：

for (uint32_t i = std::numeric_limits<uint32_t>::min(); i != std::numeric_limits<uint32_t>::max(); ++i)
{
    float n = punning_cast<float>(i);
    if(n >= 0.0f && n <= 1.0f)
        count++;
}

那么对于两个优化级别都会得出相同的答案。如果您打印，则绝对正确，尽管我没有查看组件，但未打印的情况下也可能是正确的，因为它确实需要时间才能完成。 (clang 3.4)

我之前在 LLVM 中发现了错误（导致 clang 段错误的有趣模板业务），如果您给出一个很好且清晰的错误示例，他们会及时修复它。我建议您将此作为错误报告提交。

Answer 3

使用上面的 mukunda 示例，在带有 -O2 的 clang 3.4 中，问题似乎出在矢量化阶段。向量化代码在输入时跳转到向量化代码之前：

br i1 true, label %middle.block, label %vector.ph

所以count 的值在初始化时保持不变。

*** IR Dump Before Combine redundant instructions ***
; Function Attrs: nounwind readnone ssp uwtable
define i32 @main() #0 {
entry:
  br i1 true, label %middle.block, label %vector.ph

vector.ph:                                        ; preds = %entry
  br label %vector.body

vector.body:                                      ; preds = %vector.body, %vector.ph
  %index = phi i32 [ 0, %vector.ph ], [ %index.next, %vector.body ]
  %vec.phi = phi <4 x i32> [ <i32 1, i32 0, i32 0, i32 0>, %vector.ph ], [ %4, %vector.body ]
  %vec.phi8 = phi <4 x i32> [ zeroinitializer, %vector.ph ], [ %5, %vector.body ]
  %broadcast.splatinsert = insertelement <4 x i32> undef, i32 %index, i32 0
  %broadcast.splat = shufflevector <4 x i32> %broadcast.splatinsert, <4 x i32> undef, <4 x i32> zeroinitializer
  %induction = add <4 x i32> %broadcast.splat, <i32 0, i32 1, i32 2, i32 3>
  %induction7 = add <4 x i32> %broadcast.splat, <i32 4, i32 5, i32 6, i32 7>
  %0 = icmp ult <4 x i32> %induction, <i32 5, i32 5, i32 5, i32 5>
  %1 = icmp ult <4 x i32> %induction7, <i32 5, i32 5, i32 5, i32 5>
  %2 = zext <4 x i1> %0 to <4 x i32>
  %3 = zext <4 x i1> %1 to <4 x i32>
  %4 = add <4 x i32> %2, %vec.phi
  %5 = add <4 x i32> %3, %vec.phi8
  %6 = icmp eq <4 x i32> %induction, <i32 -1, i32 -1, i32 -1, i32 -1>
  %7 = icmp eq <4 x i32> %induction7, <i32 -1, i32 -1, i32 -1, i32 -1>
  %8 = add <4 x i32> %induction, <i32 1, i32 1, i32 1, i32 1>
  %9 = add <4 x i32> %induction7, <i32 1, i32 1, i32 1, i32 1>
  %index.next = add i32 %index, 8
  %10 = icmp eq i32 %index.next, 0
  br i1 %10, label %middle.block, label %vector.body, !llvm.loop !1

middle.block:                                     ; preds = %vector.body, %entry
  %resume.val = phi i32 [ 0, %entry ], [ 0, %vector.body ]
  %trunc.resume.val = phi i32 [ 0, %entry ], [ 0, %vector.body ]
  %rdx.vec.exit.phi = phi <4 x i32> [ <i32 1, i32 0, i32 0, i32 0>, %entry ], [ %4, %vector.body ]
  %rdx.vec.exit.phi9 = phi <4 x i32> [ zeroinitializer, %entry ], [ %5, %vector.body ]
  %bin.rdx = add <4 x i32> %rdx.vec.exit.phi9, %rdx.vec.exit.phi
  %rdx.shuf = shufflevector <4 x i32> %bin.rdx, <4 x i32> undef, <4 x i32> <i32 2, i32 3, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx10 = add <4 x i32> %bin.rdx, %rdx.shuf
  %rdx.shuf11 = shufflevector <4 x i32> %bin.rdx10, <4 x i32> undef, <4 x i32> <i32 1, i32 undef, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx12 = add <4 x i32> %bin.rdx10, %rdx.shuf11
  %11 = extractelement <4 x i32> %bin.rdx12, i32 0
  %cmp.n = icmp eq i32 0, %resume.val
  br i1 %cmp.n, label %while.end, label %scalar.ph

scalar.ph:                                        ; preds = %middle.block
  br label %while.body
while.body:                                       ; preds = %while.body, %scalar.ph
  %i.0 = phi i32 [ %trunc.resume.val, %scalar.ph ], [ %inc, %while.body ]
  %count.0 = phi i32 [ %11, %scalar.ph ], [ %add.count.0, %while.body ]
  %cmp = icmp ult i32 %i.0, 5
  %add = zext i1 %cmp to i32
  %add.count.0 = add i32 %add, %count.0
  %cmp1 = icmp eq i32 %i.0, -1
  %inc = add i32 %i.0, 1
  br i1 %cmp1, label %while.end, label %while.body, !llvm.loop !4

while.end:                                        ; preds = %middle.block, %while.body
  %add.count.0.lcssa = phi i32 [ %add.count.0, %while.body ], [ %11, %middle.block ]
  ret i32 %add.count.0.lcssa
}

优化器稍后会删除无法访问和无效的代码——这几乎是整个函数体。