c++ - GCC 中的循环展开行为

Question

这个问题部分是 GCC 5.1 Loop unrolling 的后续问题.

根据GCC documentation ，并且正如我在对上述问题的回答中所述，诸如 -funroll-loops 之类的标志打开 “完整循环剥离(即完全删除具有少量恒定迭代次数的循环)” 。因此，当启用这样的标志时，如果编译器确定这将优化给定代码段的执行，则它可以选择展开循环。

尽管如此，我在我的一个项目中注意到 GCC 有时会展开循环即使相关标志未启用。例如，考虑以下简单代码:

int main(int argc, char **argv)
{
  int k = 0;
  for( k = 0; k < 5; ++k )
  {
    volatile int temp = k;
  }
}

当使用 -O1 编译时，循环被展开并使用任何现代版本的 GCC 生成以下汇编代码:

main:
        movl    $0, -4(%rsp)
        movl    $1, -4(%rsp)
        movl    $2, -4(%rsp)
        movl    $3, -4(%rsp)
        movl    $4, -4(%rsp)
        movl    $0, %eax
        ret

即使在使用附加的 -fno-unroll-loops -fno-peel-loops 进行编译以确保标记被禁用 时，GCC 仍然意外地执行循环展开上面描述的例子。

这一观察使我想到了以下密切相关的问题。为什么即使禁用了与此行为对应的标志，GCC 仍会执行循环展开？展开是否也由其他标志控制，即使 -funroll-loops 被禁用，这些标志也会使编译器在某些情况下展开循环？有没有办法在 GCC 中完全禁用循环展开(使用 -O0 编译的一部分)？

有趣的是，Clang 编译器在这里具有预期的行为，并且似乎仅在启用 -funroll-loops 时执行展开，而在其他情况下则不会。

提前致谢，如有任何关于此事的其他见解，我们将不胜感激!

Answer 1

Why does GCC perform loop unrolling even though the flags corresponding to this behaviour are disabled?

从务实的角度考虑:将这样的标志传递给编译器时你想要什么？没有C++开发者会要求GCC展开或不展开循环，只是为了汇编代码中有或没有循环，这是有目标的。例如，-fno-unroll-loops 的目标是牺牲一点速度以减小二进制文件的大小，如果您正在开发存储空间有限的嵌入式软件。另一方面，-funrool-loops 的目标是告诉编译器您不关心二进制文件的大小，因此它应该毫不犹豫地展开循环。

但这并不意味着编译器将盲目展开或不展开您的所有循环!

在你的例子中，原因很简单:循环只包含一个指令——在任何平台上都只有几个字节——编译器知道这是可以忽略不计的，并且无论如何都会采用与循环所需的汇编代码(sub + mov + jne on x86-64)。

这就是为什么 gcc 6.2 使用 -O3 -fno-unroll-loops 转换这段代码的原因:

int mul(int k, int j) 
{   
  for (int i = 0; i < 5; ++i)
    volatile int k = j;

  return k; 
}

... 到以下汇编代码:

 mul(int, int):
  mov    DWORD PTR [rsp-0x4],esi
  mov    eax,edi
  mov    DWORD PTR [rsp-0x4],esi
  mov    DWORD PTR [rsp-0x4],esi
  mov    DWORD PTR [rsp-0x4],esi
  mov    DWORD PTR [rsp-0x4],esi  
  ret    

它不会听你的，因为它(几乎，取决于架构)不会改变二进制文件的大小，但速度更快。然而，如果你增加一点你的循环计数器......

int mul(int k, int j) 
{   
  for (int i = 0; i < 20; ++i)
    volatile int k = j;

  return k; 
}

...它遵循您的提示:

 mul(int, int):
  mov    eax,edi
  mov    edx,0x14
  nop    WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  sub    edx,0x1
  mov    DWORD PTR [rsp-0x4],esi
  jne    400520 <mul(int, int)+0x10>
  repz ret 

如果将循环计数器保持在 5 但在循环中添加一些代码，您将获得相同的行为。

总而言之，从务实的开发人员的角度来看，将所有这些优化标志视为对编译器的提示。这始终是一种权衡，当您构建软件时，您永远不想要求所有或没有循环展开。 p>

作为最后的说明，另一个非常相似的示例是 -f(no-)inline-functions 标志。我每天都在努力让编译器内联(或不内联!)我的一些函数(使用 inline 关键字和 __attribute__ ((noinline)) 与 GCC)，以及何时我检查了汇编代码，我发现这个聪明人有时仍在做它想做的事，当我想内联一个对它来说太长的函数时。大多数时候，这是正确的做法，我很高兴!