为什么 GCC 不能优化 `std::sqrt`？

Question

我有一个简单的程序：

#include <cmath>

int main()
{
    for (int i = 0; i < 50; ++i)
        std::sqrt(i);
}

Clang 3.8 在-O3 优化它，但gcc 6.1 没有。它产生以下程序集：

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main:
    pushq   %rbx
    xorl    %ebx, %ebx
    jmp     .L2
.L4:
    pxor    %xmm0, %xmm0         # break cvtsi2sd's false dep on the old value of xmm0
    pxor    %xmm1, %xmm1         # xmm1 = 0.0
    cvtsi2sd        %ebx, %xmm0  # xmm0 = (double)i
    ucomisd %xmm0, %xmm1         # scalar double comparison, setting flags
    ja      .L7                  # if (0.0 > (double)i) sqrt(i);   // The `a` = above.  AT&T syntax reverses the order, but it's jump if  xmm1 above xmm0
.L2:
    addl    $1, %ebx             # i++
    cmpl    $50, %ebx
    jne     .L4                  # i != 50
    xorl    %eax, %eax
    popq    %rbx
    ret                          # return 0
.L7:
    call    sqrt                 # only executed on i < 0.  Otherwise gcc knows std::sqrt has no side effects.
    jmp     .L2

如果我正确理解 as-if 规则，则允许编译器优化不会改变程序可观察行为的代码，包括 I/O 写入等。我丢弃std::sqrt 的结果并且不做任何I/O。此外，我的程序中没有#pragma STDC FENV_ACCESS。 std::sqrt 是否有可观察到的副作用，还是 GCC 没有优化调用的其他原因？

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（这个问题的初始版本有一个上限10e50，使它成为一个无限循环。同样的事情发生在50，所以nvm关于这个问题。）

Answer 1

原因是标准要求设置errno，以防sqrt被传递一个负数。显然，对于值 50（展开太多），g++“忘记”负值是不可能的，而对于较小的值，反而展开并通过不断传播在每种情况下发现不需要设置 errno。

在调用 sqrt 之前也取绝对值显然可以确保 g++ 不可能传递一个否定的参数。

Answer 2

这有点与循环展开有关。

int main()
{
  for (int i = 0; i <= 16; ++i)  // CHANGED NUMBER OF ITERATIONS
    std::sqrt(i);
}

替换为return 0; (g++ -O3 -fdump-tree-all)。

如果您查看.115t.cunroll，您会发现代码最初被转换为：

// ...

<bb 6>:
i_30 = i_22 + 1;
_32 = (double) i_30;
if (_32 < 0.0)
  goto <bb 7>;
else
  goto <bb 8>;

<bb 7>:
__builtin_sqrt (_32);

<bb 8>:
i_38 = i_30 + 1;
_40 = (double) i_38;
if (_40 < 0.0)
  goto <bb 9>;
else
  goto <bb 10>;

<bb 9>:
__builtin_sqrt (_40);

// ...

编译器可以用实际数字“证明”每次调用sqrt 没有副作用（.125t.vrp2）：

// ...

<bb 6>:
i_30 = 3;
_32 = 3.0e+0;
if (_32 < 0.0)
  goto <bb 7>;
else
  goto <bb 8>;

<bb 7>:
__builtin_sqrt (_32);

<bb 8>:
i_38 = 4;
_40 = 4.0e+0;
if (_40 < 0.0)
  goto <bb 9>;
else
  goto <bb 10>;

<bb 9>:
__builtin_sqrt (_40);

// ...

如果迭代次数很大，gcc：

• 不执行循环展开（除非强制使用 --param max-completely-peeled-insns=x --param max-completely-peel-times=y 之类的东西）
• 还不够“聪明”，无法确定对sqrt(i) 的调用没有副作用（但一点帮助就足够了，例如std::sqrt(std::abs(i))）。

另外gcc(v6.x)不支持#pragma STDC FENV_ACCESS所以必须假设这个pragma是ON（否则生成的代码可能不正确）（情况比较复杂，见bug 34678 和 Tavian Barnes' comment)。