当循环变量在溢出时未定义时，可以进行哪些优化？

Question

本文提供了一个 C 代码示例片段，由于循环计数器类型未定义溢出，因此编译器可以对其进行优化。

这是带有评论的片段

for (i = 0; i <= N; ++i) { ... }

在此循环中，如果“i”在溢出时未定义，编译器可以假设循环将精确迭代 N+1 次，这允许进行广泛的循环优化。另一方面，如果变量定义为溢出时回绕，那么编译器必须假设循环可能是无限的（如果 N 为 INT_MAX，就会发生这种情况）——然后禁用这些重要的循环优化。这尤其影响 64 位平台，因为大量代码使用“int”作为归纳变量。

我有不少疑问：

• 我知道，如果 的类型i在溢出时未定义，编译器可以假设i不会回绕，但是为什么这意味着循环运行了N+1多次？不能i在循环体中改变它吗？
• 即使考虑到这一假设，它还能基于此进行哪些优化？例如，如果N在编译时未知，则无法展开循环，不是吗？
• “广泛的循环优化”让我觉得我在这里错过了很多。

Answer 1

我知道，如果 的类型i在溢出时未定义，编译器可以假设i不会回绕，但是为什么这意味着循环运行了N+1多次？不能i在循环体中改变它吗？

首先回答第二个问题，作者以他们的例子为例，i循环中没有改变，并且循环不包含break会终止循环的代码或其他代码。这只是一个简短的示例，面向知识渊博的受众，希望他们熟悉这些内容并填补空白。

回答第一个问题，不会换行的事实i并不意味着循环会运行N+1多次。这段话并没有这么说，它说它允许编译器假设这一点。道理是这样的：

• 如果永远不会溢出，N则++i循环恰好运行N+1一次。
• 如果在某个点N溢出++i，则该行为未定义，并且语言标准允许任何行为。如果程序崩溃，则符合标准。如果N+1换行并且测试i <= N始终为真，并且循环永远迭代，则符合标准。如果循环运行了N+1多次，则符合标准。作为编译器实现者，我们可以选择这些行为中的任何一个，并且生成的行为将符合语言标准。

如果有自由选择，在这种情况下，我们选择表现得好像循环总是运行N+1多次，因为这是一个简化的假设：它为我们提供了针对非溢出情况和溢出情况的相同规范。

• 即使考虑到这一假设，它还能基于此进行哪些优化？例如，如果N在编译时未知，则无法展开循环，不是吗？

如果循环是for (int i = 0; i <= N; ++i) { sum += i; }，我们可以优化为sum += N*(N+1)/2;（适当考虑可能的溢出来计算）并完全删除循环。如果我们需要表现得像i溢出时被包裹一样，我们就无法完全删除循环；我们需要一个测试来看看 的值是否N使得循环退出或永远继续下去。（尽管标准中关于循环取得进展的其他语言；这是一个简化的示例。）

• “广泛的循环优化”让我觉得我在这里错过了很多。

这是一个广泛的主张，没有列出几个，所以不要太担心这部分。