如何在没有运行时成本的情况下基于断言指导 GCC 优化？

Question

我在我的代码中使用了一个宏，在调试模式下：

#define contract(condition) \
    if (!(condition)) \
        throw exception("a contract has been violated");

...但在发布模式下：

#define contract(condition) \
    if (!(condition)) \
        __builtin_unreachable();

这对 assert() 的作用是，在发布版本中，由于 UB 传播，编译器可以大量优化代码。

例如使用以下代码进行测试：

int foo(int i) {
    contract(i == 1);
    return i;
}

// ...

foo(0);

... 在调试模式下抛出异常，但在发布模式下为无条件 return 1; 生成程序集：

foo(int):
        mov     eax, 1
        ret

条件以及依赖它的所有内容都已优化。

我的问题出现在更复杂的情况下。当编译器无法证明该条件没有副作用时，它不会优化它，与不使用合同相比，这是一个 runtme 惩罚。

有没有办法表达合约中的条件没有副作用，从而总是优化出来？

Answer 1

所以，这不是答案，而是一些有趣的结果，可能会导向某个地方。

我最终得到了以下玩具代码：

#define contract(x) \
    if (![&]() __attribute__((pure, noinline)) { return (x); }()) \
        __builtin_unreachable();

bool noSideEffect(int i);

int foo(int i) {
    contract(noSideEffect(i));

    contract(i == 1);

    return i;
}

你也可以 follow along at home;)

noSideEffect 是我们知道没有副作用的函数，但编译器没有。
它是这样的：

GCC __attribute__((pure)) 将函数标记为没有副作用。
使用 pure 属性限定 noSideEffect 将完全删除函数调用。不错！
但是我们不能修改noSideEffect的声明。那么如何将它的调用包装在一个本身就是 pure 的函数中呢？由于我们正在尝试制作一个独立的宏，lambda 听起来不错。
令人惊讶的是，这不起作用...除非我们将 noinline 添加到 lambda！我假设优化器首先内联 lambda，在途中丢失 pure 属性，然后再考虑优化对 noSideEffect 的调用。使用 noinline，以一种有点违反直觉的方式，优化器能够清除所有内容。太棒了！
但是，现在有两个问题：使用 noinline 属性，编译器会为每个 lambda 生成一个主体，即使它们从未被使用过。嗯——链接器可能无论如何都能把它们扔掉。
但更重要的是......我们实际上失去了 __builtin_unreachable() 启用的优化:(

总而言之，您可以删除或放回上面代码段中的 noinline，并最终得到以下结果之一：

和noinline

; Unused code
foo(int)::{lambda()#2}::operator()() const:
        mov     rax, QWORD PTR [rdi]
        cmp     DWORD PTR [rax], 1
        sete    al
        ret
foo(int)::{lambda()#1}::operator()() const:
        mov     rax, QWORD PTR [rdi]
        mov     edi, DWORD PTR [rax]
        jmp     noSideEffect(int)

; No function call, but the access to i is performed
foo(int):
        mov     eax, edi
        ret

没有noinline

; No unused code
; Access to i has been optimized out,
; but the call to `noSideEffect` has been kept.
foo(int):
        sub     rsp, 8
        call    noSideEffect(int)
        mov     eax, 1
        add     rsp, 8
        ret

Answer 2

Is there a way to express that the condition in the contract has no side effect, so that it is always optimized out?

不太可能。

众所周知，您不能收集大量断言，将它们转化为假设（通过 __builtin_unreachable）并期望得到好的结果（例如 John Regehr 的 Assertions Are Pessimistic, Assumptions Are Optimistic）。

一些线索：

CLANG，虽然已经具有 __builtin_unreachable 内在特性，但正是为此目的引入了 __builtin_assume。
N4425 - Generalized Dynamic Assumptions^(*) 指出：

GCC does not explicitly provide a general assumption facility, but general assumptions can be encoded using a combination of control flow and the __builtin_unreachable intrinsic

...

The existing implementations that provide generic assumptions use some keyword in the implementationreserved identifier space (__assume, __builtin_assume, etc.). Because the expression argument is not evaluated (side effects are discarded), specifying this in terms of a special library function (e.g. std::assume) seems difficult.

指南支持库（GSL，由 Microsoft 托管，但绝不是 Microsoft 特定的）有 "merely" 此代码：

#ifdef _MSC_VER
#define GSL_ASSUME(cond) __assume(cond)
#elif defined(__clang__)
#define GSL_ASSUME(cond) __builtin_assume(cond)
#elif defined(__GNUC__)
#define GSL_ASSUME(cond) ((cond) ? static_cast<void>(0) : __builtin_unreachable())
#else
#define GSL_ASSUME(cond) static_cast<void>(!!(cond))
#endif

并指出：

// GSL_ASSUME(cond)
//
// Tell the optimizer that the predicate cond must hold. It is unspecified
// whether or not cond is actually evaluated.

_{*) 文件 rejected：EWG 的指南是在拟议的合同设施内提供功能。}

Answer 3

没有办法像死代码一样强制优化代码，因为 GCC 必须始终符合标准。

另一方面，可以使用属性 error 检查表达式是否没有任何副作用，只要无法优化函数调用，它就会显示错误。

一个宏示例，用于检查已优化的内容并执行 UB 传播：

#define _contract(condition) \
    {
        ([&]() __attribute__ ((noinline,error ("contract could not be optimized out"))) {
            if (condition) {} // using the condition in if seem to hide `unused` warnings.
        }());
        if (!(condition))
            __builtin_unreachable();
    }

error属性在没有优化的情况下不起作用（所以这个宏只能用于release\optimization模式编译）。请注意，指示合同有副作用的错误会在链接期间显示。

A test that shows an error with unoptimizable contract.

A test that optimizes out a contract but, does UB propagation with it.

如何在没有运行时成本的情况下基于断言指导 GCC 优化？

How to guide GCC optimizations based on assertions without runtime cost?

c++

optimization

gcc

assert

compiler-optimization