C99'conctrict'关键字的实际用法？

Question

我正在浏览一些文档和问题/答案,并看到它提到.我读了一个简短的描述,声明它基本上是程序员的承诺,指针不会用于指向其他地方.

任何人都可以提供一些现实案例,其值得实际使用吗？

Answer 1

restrict说指针是唯一访问底层对象的东西.它消除了指针别名的可能性,使编译器能够更好地进行优化.

例如,假设我有一台具有专用指令的机器,可以在内存中乘以数字向量,我有以下代码:

void MultiplyArrays(int* dest, int* src1, int* src2, int n)
{
    for(int i = 0; i < n; i++)
    {
        dest[i] = src1[i]*src2[i];
    }
}

编译器需要正确处理if dest,src1和src2重叠,这意味着它必须从开始到结束一次进行一次乘法运算.通过使用restrict,编译器可以使用向量指令自由地优化此代码.

维基百科在这里有一个条目restrict,另一个例子.

Answer 2

的维基百科例子是非常照明.

它清楚地显示了它如何允许保存一个汇编指令.

没有限制:

void f(int *a, int *b, int *x) {
  *a += *x;
  *b += *x;
}

伪装配:

load R1 ? *x    ; Load the value of x pointer
load R2 ? *a    ; Load the value of a pointer
add R2 += R1    ; Perform Addition
set R2 ? *a     ; Update the value of a pointer
; Similarly for b, note that x is loaded twice,
; because a may be equal to x.
load R1 ? *x
load R2 ? *b
add R2 += R1
set R2 ? *b

有限制:

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x);

伪装配:

load R1 ? *x
load R2 ? *a
add R2 += R1
set R2 ? *a
; Note that x is not reloaded,
; because the compiler knows it is unchanged
; load R1 ? *x
load R2 ? *b
add R2 += R1
set R2 ? *b

海湾合作委员会真的这样做吗？

GCC 4.8 Linux x86-64:

gcc -g -std=c99 -O0 -c main.c
objdump -S main.o

有-O0,他们是一样的.

用-O3:

void f(int *a, int *b, int *x) {
    *a += *x;
   0:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   2:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
   4:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   6:   01 06                   add    %eax,(%rsi)  

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x) {
    *a += *x;
  10:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
  12:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
  14:   01 06                   add    %eax,(%rsi) 

对于没有经验的人,调用约定是:

• rdi =第一个参数
• rsi =第二个参数
• rdx =第三个参数

GCC输出甚至比wiki文章更清晰:4条指令vs 3条指令.

数组

到目前为止,我们有单指令节省,但如果指针表示要循环的数组,一个常见的用例,那么可以保存一堆指令,如supercat所述.

考虑例如:

void f(char *restrict p1, char *restrict p2) {
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        p1[i] = 4;
        p2[i] = 9;
    }
}

因为restrict,智能编译器(或人类)可以优化它:

memset(p1, 4, 50);
memset(p2, 9, 50);

这可能更高效,因为它可能在一个体面的libc实现(如glibc)上进行程序集优化:在性能方面使用std :: memcpy()或std :: copy()会更好吗？

海湾合作委员会真的这样做吗？

GCC 5.2.1.Linux x86-64 Ubuntu 15.10:

gcc -g -std=c99 -O0 -c main.c
objdump -dr main.o

有-O0,两者都是一样的.

用-O3:

• 限制:

  3f0:   48 85 d2                test   %rdx,%rdx
  3f3:   74 33                   je     428 <fr+0x38>
  3f5:   55                      push   %rbp
  3f6:   53                      push   %rbx
  3f7:   48 89 f5                mov    %rsi,%rbp
  3fa:   be 04 00 00 00          mov    $0x4,%esi
  3ff:   48 89 d3                mov    %rdx,%rbx
  402:   48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
  406:   e8 00 00 00 00          callq  40b <fr+0x1b>
                          407: R_X86_64_PC32      memset-0x4
  40b:   48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
  40f:   48 89 da                mov    %rbx,%rdx
  412:   48 89 ef                mov    %rbp,%rdi
  415:   5b                      pop    %rbx
  416:   5d                      pop    %rbp
  417:   be 09 00 00 00          mov    $0x9,%esi
  41c:   e9 00 00 00 00          jmpq   421 <fr+0x31>
                          41d: R_X86_64_PC32      memset-0x4
  421:   0f 1f 80 00 00 00 00    nopl   0x0(%rax)
  428:   f3 c3                   repz retq
  

  两个memset电话如预期.

• 没有限制:没有stdlib调用,只是一个16迭代宽的循环展开,我不打算在这里重现:-)

我没有耐心对它们进行基准测试,但我相信限制版本会更快.

C99

让我们看一下标准的完整性.

restrict说两个指针不能指向重叠的内存区域.最常见的用法是函数参数.

这限制了函数的调用方式,但允许更多的编译时优化.

如果调用者不遵循restrict合同,则定义未定义的行为.

该C99 N1256草案 6.7.3/7 "类型的限定"说:

restrict限定符(如寄存器存储类)的预期用途是促进优化,并且从构成符合程序的所有预处理转换单元中删除限定符的所有实例不会改变其含义(即,可观察行为).

和6.7.3.1"限制的正式定义"给出了血淋淋的细节.

严格别名规则

该restrict关键字仅影响兼容类型的指针(例如两个int*),因为严格的别名规则表明,默认情况下,别名不兼容类型是未定义的行为,因此编译器可以假设它不会发生并优化掉.

请参阅:什么是严格别名规则？

也可以看看

• C++ 14还没有类似的restrict,但是GCC有__restrict__一个扩展:restrict关键字在C++中意味着什么？
• 许多问题要问:根据血淋淋的细节,这个代码是不是UB？
  • 通过示例了解限制限定符
  • 受限制的指针问题
  • 将受限制的指针指定给另一个指针是否合法,并使用第二个指针修改该值？
• "何时使用"问题:何时使用限制以及何时不使用
• 相关的GCC __attribute__((malloc)),它表示函数的返回值没有别名:GCC:__ attribute __((malloc))