我可以通过给出整数范围来提示优化器吗？

Question

我正在使用一种int类型来存储一个值.根据程序的语义,值总是在很小的范围内变化(0 - 36),并且仅使用int(不是a char)因为CPU效率.

似乎可以在如此小的整数范围内执行许多特殊的算术优化.可以将对这些整数的许多函数调用优化为一小组"神奇"操作,并且甚至可以将某些函数优化为表查找.

那么,是否有可能告诉编译器这int总是在那么小的范围内,并且编译器是否可以进行这些优化？

Answer 1

对的,这是可能的.例如,gcc您可以使用__builtin_unreachable告诉编译器有关不可能的条件,如下所示:

if (value < 0 || value > 36) __builtin_unreachable();

我们可以在宏中包装上面的条件:

#define assume(cond) do { if (!(cond)) __builtin_unreachable(); } while (0)

并像这样使用它:

assume(x >= 0 && x <= 10);

如您所见,gcc根据以下信息执行优化:

#define assume(cond) do { if (!(cond)) __builtin_unreachable(); } while (0)

int func(int x){
    assume(x >=0 && x <= 10);

    if (x > 11){
        return 2;
    }
    else{
        return 17;
    }
}

生产:

func(int):
    mov     eax, 17
    ret

然而,一个缺点是,如果您的代码打破了这样的假设,那么您将得到未定义的行为.

即使在调试版本中,它也不会在发生这种情况时通知您.要更容易地使用假设来调试/测试/捕获错误,您可以使用混合的假设/断言宏(@David Z的信用),如下所示:

#if defined(NDEBUG)
#define assume(cond) do { if (!(cond)) __builtin_unreachable(); } while (0)
#else
#include <cassert>
#define assume(cond) assert(cond)
#endif

在调试版本(具有NDEBUG 不定义),它的工作原理像一个普通的assert,印刷错误消息和abort"ING程序,并在发布版本它利用一个假设的,产生优化代码.

但请注意,它不能代替常规assert- cond仍然在发布版本中,所以你不应该做类似的事情assume(VeryExpensiveComputation()).

Answer 2

有标准的支持.你应该做的是包括stdint.h(cstdint)然后使用类型uint_fast8_t.

这告诉编译器您只使用0到255之间的数字,但是如果它提供更快的代码则可以使用更大的类型.类似地,编译器可以假设变量永远不会有大于255的值,然后相应地进行优化.

Answer 3

当您确切知道范围是什么时,当前答案是有利的,但如果您仍然希望在值超出预期范围时仍然需要正确的行为,那么它将无效.

对于这种情况,我发现这种技术可以工作:

if (x == c)  // assume c is a constant
{
    foo(x);
}
else
{
    foo(x);
}

这个想法是代码数据权衡:你将1位数据(无论是x == c)移动到控制逻辑中.
这暗示优化器x实际上是一个已知常量c,鼓励它内联和优化第一次调用foo与其余调用分开,可能相当大.

确保实际将代码分解为单个子例程foo,但不要复制代码.

例:

要使这种技术起作用,你需要有点幸运 - 有些情况下编译器决定不静态地评估它们,而且它们有点武断.但是当它工作时,它运作良好:

#include <math.h>
#include <stdio.h>

unsigned foo(unsigned x)
{
    return x * (x + 1);
}

unsigned bar(unsigned x) { return foo(x + 1) + foo(2 * x); }

int main()
{
    unsigned x;
    scanf("%u", &x);
    unsigned r;
    if (x == 1)
    {
        r = bar(bar(x));
    }
    else if (x == 0)
    {
        r = bar(bar(x));
    }
    else
    {
        r = bar(x + 1);
    }
    printf("%#x\n", r);
}

只需使用-O3并注意预评估常数0x20和0x30e在汇编输出.

Answer 4

我只想说,如果你想要一个更标准的C++解决方案,你可以使用该[[noreturn]]属性编写自己的unreachable.

因此,我将重新设计deniss的优秀示例来证明:

namespace detail {
    [[noreturn]] void unreachable(){}
}

#define assume(cond) do { if (!(cond)) detail::unreachable(); } while (0)

int func(int x){
    assume(x >=0 && x <= 10);

    if (x > 11){
        return 2;
    }
    else{
        return 17;
    }
}

其中你可以看到,结果几乎相同的代码:

detail::unreachable():
        rep ret
func(int):
        movl    $17, %eax
        ret

当然,缺点是你得到一个[[noreturn]]功能确实会返回的警告.