为什么编译器不总是优化掉局部变量？

Question

我试图了解是否删除局部中间变量可以导致更好的优化代码。考虑以下MWE，要特别注意这两个函数f和g：

struct A {
    double d;
};

struct B {
    double s;
};

struct C {
    A a;
    B b;
};

A geta();
B getb();

C f() {
    const A a = geta();
    const B b = getb();

    C c;
    c.a = a;
    c.b = b;
    return c;
}

C g() {
    C c;
    c.a = geta();
    c.b = getb();
    return c;
}

既f与g呼叫geta()和getb()来填充类的实例C，然后将其返回，但f使用两个本地中间变量来存储的返回值geta()和getb()，而g直接返回值分配给成员c。

与编译gcc -O3，9.2版本，这两个功能的二进制文件f，并g是完全一样的。但是，向A或B类中添加另一个变量会导致不同的二进制文件。特别是，二进制文件for f具有更多指令。带-O3标志的clang v8.0.0的情况相同。

这是怎么回事 为什么编译器无法优化fwhen 的局部中间变量A或B变得更复杂？是不是f和g等价的代码？

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此外，该行为是不是MSVC v19.22用相同的/O2标志：从微软编译器在第一种情况下，即与两个班已经有不同的二进制文件A，并B通过一个单一的组成double。

我正在使用Godbolt：您可以在此处找到产生不同二进制代码的代码。

Answer 1

这是一个错过的优化

这两个函数都没有获取 的地址C c，因此转义分析应该很容易证明它是一个纯本地函数，没有其他函数可以有指针指向。 geta()并且getb()无法直接读取或写入该变量，因此将geta()返回值直接存储到c.a堆栈中而不是临时存储在堆栈中是安全的。

令人惊讶的是，GCC、clang、ICC 和 MSVC 都错过了这种优化，大多数使用调用保留寄存器来保存返回geta()值，直到 之后getb()。 https://godbolt.org/z/WQ9MAF 至少对于 x86-64；我基本上没有检查其他 ISA 或较旧的编译器版本。

有趣的事实：clang 3.5 即使对于 也有这种错过的优化g()，破坏了源代码提高效率的尝试。

有趣的事实#2：在 GCC9.2 中，编译为 C 而不是 C++ 会使 GCC 的工作变得更糟糕，从而导致g(). （我必须更改为typedef struct Atag {...} A;但编译它，因为 C++ 仍然优化g()。https ://godbolt.org/z/_Y95nj）

clang8.0 产生高效的g()有/无-xc. 无论哪种方式，ICC 都会产生低效g()。

ICC的f()比它的还要糟糕g()。

MSVC 的g()效率正如您所希望的那样；Windows x64 调用约定通过隐藏指针返回结构，MSVC 从未优化它以将指针传递给其自己的返回值对象。（如果它自己的调用者也可能进行此类优化，那么它可能无法证明它是安全的。）

显然，如果geta()和getb()可以内联，这就消除了优化器的任何疑问，并且它应该更容易/可靠地进行优化。