gcc 和 clang 发出看似多余的函数调用

Question

typedef struct foo
{
    void (*const t)(struct foo *f);
} foo;

void t(struct foo *f)
{
    
}

void (*const myt)(struct foo *f) = t;

foo f = {.t = t};

int main(void)
{
    f.t(&f);
    myt(&f);

    return 0;
}

当使用 x86-64 gcc 13.2 和 clang 16.0.0 编译上述代码时，会生成类似的汇编代码。下面显示的是 gcc 输出。

t:
        ret
main:
        sub     rsp, 8
        mov     edi, OFFSET FLAT:f
        call    [QWORD PTR f[rip]]
        xor     eax, eax
        add     rsp, 8
        ret
f:
        .quad   t
myt:
        .quad   t

为什么两个编译器t在通过函数调用时发出对函数的调用struct foo，而在通过函数指针调用时则不发出函数调用myt？为什么编译器无法看到t函数指针struct foo指向空函数并消除所有调用？由于f是静态分配并在编译时初始化，因此其成员t（一个在运行时无法更改的常量指针（不会调用未定义的行为））指向一个空函数t。

Answer 1

GCC 和 Clang 都提供了在 before 之前运行任意代码的机制main，因此这些编译器必须尊重这种可能性。（包括使用静态构造函数与 C++ 库或GNU C__attribute__((constructor))链接。）

全局变量foo f不是const，因此 GCC 和 clang 假设它可能在执行到达之前已被修改f.t(&f);。 更改为const foo f = ...;让 GCC 和 clang 知道函数指针值是编译时常量，并内联它并优化掉空函数。（神箭）

那么修改后的代码会是什么样子f.t呢？

显然它不能这样做，f.t = whatever因为.t成员是const。GCC 和 clang 也拒绝编译f = (foo){NULL};以替换整个结构的值，抱怨const成员。（Clang 说错误：无法使用 const 限定数据成员 't' 分配给变量 'f'。GCC 使用与const foo f, error: assignment of read-only variable 'f'相同的错误相同的错误。）

memcpy但即使是在没有警告的情况下，他们也确实允许，而如果是-Wall -Wextra，他们就会警告。（我用作占位符只是为了避免编写另一个有效函数。如果您可以将其更改为 NULL，则可以将其更改为在调用时会执行某些操作的函数。）fconstNULL

#include <string.h>
// Code like this could hypothetically run before main in another compilation unit
void startup(void){
    // f = (foo){NULL};    // illegal

    foo tmp = {NULL};
    memcpy(&f, &tmp, sizeof(f));  // legal, it seems, as long as foo f isn't const foo f
      //   (In which case this warns, and will segfault at run-time)
      // actually clang emits no instructions for the memcpy in the UB case where it's trying to write const foo f.
}

我还没有检查 ISO 标准，但假设 GCC/clang 的（缺少）警告与其优化器假设其他代码可以执行的操作一致，这解释了为什么在const f这种情况下 non- 不被视为具有已知值。

为什么没有static foo f帮助？

制作它static foo f（在没有定义startup()修改它的函数的编译单元中）应该允许常量传播，因为编译单元外部的任何东西都看不到它，并且内部的任何东西都不会改变值。

但即使gcc -fwhole-program是 GCC/clang -flto（反汇编链接的二进制文件）也无法内联f.t(&f)，即使这些选项确实让它们内联myt(&f)为const非非static myt。（神箭）。

将调用更改为f.t(0);和myt(0)允许 GCC 和 clang 优化这两个调用！（使用static foo fand const myt，或使用-fwhole-programor -flto。） 我认为&f作为 arg 传递会击败转义分析，即使编译器理论上可以证明调用目标仍然始终是t()在此编译单元中定义的，这实际上并没有让地址逃逸到编译单元之外。

// or non-const is the same if we're using -flto or -fwhole-program
void (*const myt)(const struct foo *f) = t;
static foo f = {.t = t};

int main(void)
{
    f.t(0);    // not f.t(&f) so it's clear to the optimizer the address of f doesn't escape
    myt(0);

// f.t(0); myt(&f);  // lets clang -flto optimize away both calls, but still not GCC -fwhole-program
}

main在 C 中，从程序内部再次调用并不是 UB 。因此，如果f.t(&f)发生变化， （例如，从另一个编译单元中的函数）f.t的下一次执行将是对不同函数的调用。这实际上是不可能的，但很容易想象编译器可能陷入了试图证明这一点的循环并放弃了。(通过此编译单元中的非函数获取其地址并将其传递给函数调用，这通常意味着地址转义。看到它转到不改变的位置，则需要在完成转义分析之前进行内联，但它不能通过函数指针内联，除非转义分析可以证明它知道正在调用哪个函数。）main__attribute__((destructor))fstatict()f

myt另一方面确实如此，const很容易优化掉。即使我们不使用constor static，使用-fltoor-fwhole-program编译也很容易看到此编译单元（或任何具有 LTO 的编译单元）中的任何内容都不会更改它，并且&myt不会作为函数 arg 传递，因此显然不会转义。（没有-fltoor const/ static，通过 global 的 constpropmyt也不会发生。）

Godbolt - 使用maindof.t(0);myt(0);和*const myt足以static foo f让 GCC 和 clang 优化掉这两个调用，即使没有-flto或-fwhole-program。除非这个编译单元定义了一个类似startup()to 的memcpy函数&f。

但是对于 non- static foo f，这种优化再次是不可能的，因为它甚至可以在第一次/唯一执行 之前被修改main。

顺便说一句，我的 Godbolt 链接-fvisibility=hidden只是为了确保不可能进行符号插入，这将是非变量static的值与源中的初始值设定项不同的另一种方式。但这对于主可执行文件中的全局变量来说已经不可能了，只与-fPIC编译对共享库安全的代码有关。