关于编译器优化的两个类型限定词：volatile和restrict

fish001

关于编译器优化的两个类型限定词：volatile和restrict [复制链接]

想把学习过程中的一些心得记录下来，权当自己学习经历中的笔记吧。如果你无意中看到这些文章，能帮我指出其中一些理解不正确的地方，在这里小弟将万分感谢。呵呵。
       volatile和restrict这两个类型限定词的运用与编译器的优化存在着一定的关系。volatile这个关键字用在变量类型定义上，指明这个变量的值存在不确定因素。也就是说这个变量不光会被我们编写的程序改变值，也可能会被某个外部代理改变（比如：某个硬件中断、外部程序等）。这样就不能保证如果程序没有改变这个变量值，而又存在多次调用后进入寄存器中的值就一定正确。
       从编译器的优化角度，举个例子：
       int x=5;
       int a, b;
       a = x;
       b = x;
       由于程序没有更改X的值，但又存在多次调用，编译器为了优化运行速度，会给a赋值后，把X的值5从内存放入到寄存器中。当给b赋值时，不是再次读取X内存地址中的值，而是直接把寄存器中的5赋给b。这一优化对于普通变量没有问题。但如果定义成 volatile int x;则表明x可以被程序代码外的其他代理改变值。如果编译器也采用这样的优化，很可能在给b赋值时，x的值已经被程序外部的某个硬件中断改变了。这样从寄存器获取到的值肯定是不正确的。
       因此当给变量加上volatile关键字，除了表示这一变量可以被其他代理改变值，也明确说明编译器不能为此变量进行上面那种方式的优化：每次调用这一变量，都从变量的地址中获取值，而不是寄存器（此变量使用的硬件内存地址是与其他并行运行的程序共享数据的，因此不管是程序自身改变变量值，还是其他代理改变变量值，都是改变内存地址中的数据）。
      看个有趣的例子：
      int square(volatile int *a)
      {
           return (*a * *a);
      }
      函数的目的本来是计算平方根，但由于a指针用了volatile关键字，两次获取a指针地址中的值不能完全保证一样，所以计算出来的结果也未必就是我们需要的。考虑修改成这样：
      int square(volatile int *a)
      {
           int temp = *a;
           return (temp * temp);
      }

      restrict关键字只能用来修饰指针，表示被定义的指针是访问指针中数据的唯一途径。这一目的是告诉编译器可以进行一些优化。看个例子：
      int x = 2;
      int *a = (int *) malloc(sizeof(int));
      *a = 2;
      int *b = &x;
      *a += 2;
      *b += 2;
      x *= 3;
      *a += 3;
      *b += 3;
     编译器进行优化时可以用一条语句代替：*a += 5;这对于a来说是正确的，但如果用*b += 5来优化b是不正确的。因为其他变量影响了结果。因此，当编译器不确定某些因素时，会放弃寻找某个途径进行优化。如果在变量前加上restrict关键字。则告诉编译器可以“放心大胆”的进行优化。但编译器并不会验证你定义为restrict的指针，是否真正是某个数据的唯一访问途径；就像数组的下标越界一样，如果你不遵守规则，编译器并不会指出错误，但后果由你自己负责：）
     同样看个有趣的类子：
    void change_array(restrict int *array, const restrict int *value,const int size)
    {
           for(int i=0;i            {
                  array[i] += *value;
           }
    }

    int main(void)
    {
           int *array[SIZE]  = {1,2,3};

          change_array(array,&array[0],SIZE);

          for(int i=0;i           {
                printf("%d \n",array[i]);
         }
     }
     如果编译器支持优化，运行后的结果是：2   3   4   而不是实际正确的结果：2   4   5 。这是在定义函数时，指明两个指针为restrict，因此编译器进行优化了：在程序调用函数时，将value指针的变量值在寄存器中生成了一个副本。后面的执行都是获取寄存器上的value值。同时可以看出，当你没有遵守restrict定义的指针指向的变量只能通过该指针修改的规则时（函数中 value指针指向的数据，在main调用时，array指针也进行了修改），编译器不会检查。
    对于优化来说，volatile是强制性，而restrict是建议性。也就是加了volatile则强制不进行优化，而加入restrict编译器也不一定肯定优化。大部分情况下restrict和什么都不加编译结果相同，restrict只是告诉编译器可以自由地做一些相关优化的假定。同时也告诉调用者仅使用满足restrict定义条件的参数，如果你不遵守，嘿嘿。。。

     restrict这个关键字是C99标准加入，在C++中不支持，因此我在VC++中加入restrict关键字编译不了：（
     关于restrict的加入，在网上还找到一段小故事：
     为了提高 Cray机器上的效率, ANSI C委员会提出过一种称为noalias的机制来解决这个问题，用它来说明某个C指针可以认为是没有别名, 只是这种机制不成熟，这件事激怒了Dennis Ritchie，拿他对C的标准化过程做了唯一的一次干预。他写了一封公开信说“noalias必须靠边站，这一点是不能协商的。”  

      后来Cray的Mike Holly又抓起了这个难题，向数值C语言扩充工作组和C++委员会提出了一种改进的反别名建议。所建议的想法是允许程序员说明一个指针可以认为是没有别名的，采用的方式是将它说明为restrict。  这个建议C99采纳了，但标准C++拒绝了。