c++ - 为什么 volatile 局部变量的优化与 volatile 参数不同，为什么优化器会从后者生成无操作循环？

Question

背景

这是受到这个问题/答案以及随后在评论中的讨论的启发:Is the definition of “volatile” this volatile, or is GCC having some standard compliancy problems? .根据其他人和我对应该发生的事情的解释，如评论中所述，我已将其提交给 GCC Bugzilla:https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=71793仍然欢迎其他相关回复。

此外，该线程已经引起了这个问题:Does accessing a declared non-volatile object through a volatile reference/pointer confer volatile rules upon said accesses?

介绍

我知道 volatile不是大多数人认为的那样，而是一个实现定义的毒蛇巢。而且我当然不想在任何实际代码中使用以下结构。也就是说，我对这些例子中发生的事情完全感到困惑，所以我真的很感激任何解释。

我的猜测是这是由于对标准的高度细微的解释或(更有可能？)只是所用优化器的极端情况。无论哪种方式，虽然更学术而不是实际，但我希望这被认为是有值(value)的分析，特别是考虑到通常被误解的情况 volatile是。更多的数据点——或者更有可能的是，反对它的点——一定是好的。

输入

鉴于此代码:

#include <cstddef>

void f(void *const p, std::size_t n)
{
    unsigned char *y = static_cast<unsigned char *>(p);
    volatile unsigned char const x = 42;
    // N.B. Yeah, const is weird, but it doesn't change anything

    while (n--) {
        *y++ = x;
    }
}

void g(void *const p, std::size_t n, volatile unsigned char const x)
{
    unsigned char *y = static_cast<unsigned char *>(p);

    while (n--) {
        *y++ = x;
    }
}

void h(void *const p, std::size_t n, volatile unsigned char const &x)
{
    unsigned char *y = static_cast<unsigned char *>(p);

    while (n--) {
        *y++ = x;
    }
}

int main(int, char **)
{
    int y[1000];
    f(&y, sizeof y);
    volatile unsigned char const x{99};
    g(&y, sizeof y, x);
    h(&y, sizeof y, x);
}

输出
g++来自 gcc (Debian 4.9.2-10) 4.9.2 (Debian stable 又名 Jessie) 与命令行 g++ -std=c++14 -O3 -S test.cpp为 main() 生成以下 ASM .版本 Debian 5.4.0-6 (当前 unstable )产生等效的代码，但我碰巧先运行旧的，所以这里是:

main:
.LFB3:
    .cfi_startproc

# f()
    movb    $42, -1(%rsp)
    movl    $4000, %eax
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L21:
    subq    $1, %rax
    movzbl  -1(%rsp), %edx
    jne .L21

# x = 99
    movb    $99, -2(%rsp)
    movzbl  -2(%rsp), %eax

# g()
    movl    $4000, %eax
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L22:
    subq    $1, %rax
    jne .L22

# h()
    movl    $4000, %eax
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L23:
    subq    $1, %rax
    movzbl  -2(%rsp), %edx
    jne .L23

# return 0;
    xorl    %eax, %eax
    ret
    .cfi_endproc

分析

所有 3 个函数都是内联的，并且都分配了 volatile局部变量在堆栈上这样做的原因相当明显。但那是他们唯一分享的东西......

f() 确保从 x 读取在每次迭代中，大概是由于它的 volatile - 但只是将结果转储到 edx ，大概是因为目的地y未声明 volatile并且永远不会被读取，这意味着在 as-if 规则下可以禁止对其进行更改。好的，有道理。

嗯，我的意思是......有点。就像，不是真的，因为 volatile真正用于硬件寄存器，显然本地值不能是其中之一 - 否则不能在 volatile 中修改除非它的地址被传递出去......事实并非如此。听着，volatile 没有太多意义。本地值(value)观。但是 C++ 允许我们声明它们并尝试用它们做一些事情。就这样，我们一如既往地迷茫，蹒跚前行。

g() : 什么。通过移动 volatile source 转换为传值参数，它仍然只是另一个局部变量，GCC 以某种方式决定它不是或更少 volatile ，所以它不需要每次迭代都读取它......但它仍然执行循环，尽管它的主体现在什么都不做。

h() : 取已通过 volatile作为传递引用，与 f() 的有效行为相同已恢复，因此循环执行 volatile读。

由于上述针对 f() 的原因，仅此案例对我来说就具有实际意义。 .详细说明:想象一下x指的是硬件寄存器，每次读取都会产生副作用。你不会想跳过其中任何一个。

添加 #define volatile /**/导致 main()正如你所期望的那样，是一个空运。所以，当存在时，即使是局部变量 volatile确实做了一些事情......我只是不知道在 g() 的情况下是什么情况| .那里到底发生了什么？

问题

为什么在体内声明的局部值与按值参数产生不同的结果，而前者允许优化读取？两者均已声明 volatile .也没有地址传递出去 - 也没有 static地址，排除任何内联 ASM POKE ry - 所以它们永远不能在函数之外被修改。编译器可以看到每个都是常量，永远不需要重新读取，并且volatile只是不是真的 -

所以(A)在这样的约束下是否可以被省略？ (表现得好像他们没有被声明 volatile )-

(B) 为什么只有一个被省略？有的volatile局部变量更多 volatile相对于其它的？

暂时搁置这种不一致:在读取被优化掉之后，为什么编译器仍然生成循环？它什么都不做!为什么优化器不忽略它，就像没有编码循环一样？

由于优化分析的顺序等原因，这是一个奇怪的极端情况吗？由于代码是一个愚蠢的思想实验，我不会为此谴责 GCC，但肯定会很好。 (或者 g() 是人们多年来梦寐以求的手动计时循环？)如果我们得出结论，其中任何一项都没有标准影响，我会将其移至他们的 Bugzilla，仅供引用。

当然，从实际角度来看，更重要的问题是，尽管我不希望这掩盖了编译器极客的潜力......如果有的话，根据标准，哪些是明确定义/正确的？

Answer 1

对于 f:GCC 消除了非 volatile 存储(但不是加载，如果源位置是内存映射硬件寄存器，则可能会产生副作用)。这里真的没有什么令人惊讶的。

对于 g:因为 x86_64 ABI参数 x的 g在寄存器中分配(即 rdx )并且在内存中没有位置。读取通用寄存器没有任何可观察到的副作用，因此消除了死读。