C 中的操作重新排序和签名

Question

我发现了几个讨论有符号和无符号编译器优化的问题。 一般的结论是，由于溢出的未定义行为，signed 允许进行更多优化。 但是，我没有找到任何关于签名如何与操作重新排序一起玩的讨论。

考虑表达式

a - b + c

如果所有值都是无符号的，编译器总是可以重新排序操作（首先添加

a

和

c

可能会提高性能）。

如果所有值都是有符号的，编译器必须证明重新排序不会导致溢出发生。一般来说，

a + c

可能会溢出，因此编译器在重新排序方面受到限制。

我是否正确认为编译器可以更自由地为无符号值重新排序操作？

Answer 1

如果所有值都是有符号的，编译器必须证明重新排序不会导致溢出发生。

这个前提是错误的。如果 C 程序中没有未定义的行为，编译器的负担就是产生该行为。 C 标准不限制它是如何做到的。如果它重新排序

a - b + c

到

a + c - b

但是它使用行为适当的指令这样做，那么

a + c - b

将计算与

a - b + c

相同的结果。

考虑使用 32 位

int

对象的示例：

a

是 7FFFFFF0₁₆，

b

是 100₁₆，

c

是 20₁₆。那么

a - b

就是7FFFFEF0₁₆，

a - b + c

就是7FFFFF10₁₆。如果编译器使用产生 80000010

16

的加法指令计算 _{a + c}，然后使用产生 7FFFFF10

16

的减法指令计算 _{a + c - b}，那么结果是正确的。

这是有效的，因为加法和减法指令不“关心”溢出并产生所需的结果，即使它们超出了

int

范围。不仅这样的指令在当今的处理器上很常见，而且相同的加法和减法指令用于有符号和无符号算术，因为加法和减法的位模式对于无符号和二进制补码表示是相同的。 （比较指令不同，因为当解释为无符号或二进制补码时，这些位具有不同的含义。）

如果源代码字面上被更改为

a + c - b

，程序将具有未定义的行为这一事实是无关紧要的。编译器通常不会通过名义上将 C 源代码重新排列为随后编译的其他 C 源代码来运行。编译器通常通过将 C 语义转换为某种内部表示，然后生成汇编代码来实现这些语义来进行操作。