c++ - 这是优化器的怪癖还是语言规则禁止优化的结果？

Question

我在玩编译器资源管理器时发现这两个函数在 gcc 和 clang 中生成不同的程序集。我预计在内联后它们会产生相同的表达式树，从而产生相同的最佳装配。

constexpr bool is_nonzero_decimal_digit(char const c) noexcept
{
    return c == '1' || c == '2' || c == '3' || c == '4' || c == '5'
        || c == '6' || c == '7' || c == '8' || c == '9';
}

bool is_decimal_digit_v1(char const c) noexcept
{
    return c == '0' || is_nonzero_decimal_digit(c);
}

bool is_decimal_digit_v2(char const c) noexcept
{
    return c == '0' || c == '1' || c == '2' || c == '3' || c == '4' 
        || c == '5' || c == '6' || c == '7' || c == '8' || c == '9';
}

Clang 3.9.1 -std=c++1z -O3 结果

is_decimal_digit_v1(char):
    cmp     dil, 48
    sete    cl
    add     dil, -49
    cmp     dil, 9
    setb    al
    or      al, cl
    ret

is_decimal_digit_v2(char):
    add     dil, -48
    cmp     dil, 10
    setb    al
    ret

gcc 6.3 -std=c++1z -O3 结果

is_decimal_digit_v1(char):
    cmp     dil, 48
    je      .L3
    sub     edi, 49
    cmp     dil, 8
    setbe   al
    ret
.L3:
    mov     eax, 1
    ret

is_decimal_digit_v2(char):
    sub     edi, 48
    cmp     dil, 9
    setbe   al
    ret

那么，这是优化器的怪癖还是语言规则禁止优化的结果？

Answer 1

这是 gcc < 7.0 和 clang 优化器的一个怪癖。正如 Cornstalks 在评论中指出的那样，gcc 7.0 能够生成最佳汇编。我还检查了 VC++ 2015，它也是这样做的:

is_decimal_digit_v2:
    sub    cl, 48
    cmp    cl, 9
    setbe  al
    ret    0
is_decimal_digit_v1:
    sub    cl, 48
    cmp    cl, 9
    setbe  al
    ret    0

作为 T.C.指出，内联是在一些优化通过之后执行的，在这个特定的代码中，它将一系列比较合并到一个更简单的范围检查中。在内联之前这样做很有用，可以使叶函数更小，这反过来又增加了它们被内联的机会。基本上，v1 函数被转换成这样:

bool is_decimal_digit_v3(char const c) noexcept
{
    if (c == 48) return true;
    // this is what was inlined
    char tmp = c - 49;
    return tmp >= 0 && tmp < 9;
}

而 v2 被转换为更简单的形式:

bool is_decimal_digit_v4(char const c) noexcept
{
  char tmp = c - 48;
  return tmp >= 0 && tmp < 10;
}

为 v3 生成的程序集与为 v1 生成的程序集类似

#clang 3.9.1
is_decimal_digit_v3(char):               # @is_decimal_digit_v3(char)
    cmp     dil, 48
    sete    cl
    add     dil, -49
    cmp     dil, 9
    setb    al
    or      al, cl
    ret
# gcc 6.3
is_decimal_digit_v3(char):
    cmp     dil, 48
    je      .L8
    sub     edi, 49
    cmp     dil, 8
    setbe   al
    ret
.L8:
    mov     eax, 1
    ret

我想，要将 v3 转换为 v4，需要一些 gcc 7.0 能够完成的重要分析。此版本为所有四个片段生成完全相同的程序集:

is_decimal_digit_v1(char):
    sub     edi, 48
    cmp     dil, 9
    setbe   al
    ret
is_decimal_digit_v2(char):
    sub     edi, 48
    cmp     dil, 9
    setbe   al
    ret
is_decimal_digit_v3(char):
    sub     edi, 48
    cmp     dil, 9
    setbe   al
    ret
is_decimal_digit_v4(char):
    sub     edi, 48
    cmp     dil, 9
    setbe   al
    ret

有趣的是，VC++2015 无法将 v3 转换为 v4 并生成此程序集:

is_decimal_digit_v3:
    cmp    cl, 48
    jne    SHORT $LN2@is_decimal
    mov    al, 1
    ret    0
$LN2@is_decimal:
    xor    eax, eax
    sub    cl, 49
    cmp    cl, 8
    setbe  al
    ret    0

如果非要我猜的话，我会说它为 v1 而不是为 v3 生成最佳代码的原因是因为它在减少与范围检查的比较之前进行了内联。