如何防止一段无副作用的代码被优化掉？

Question

考虑一个场景，我构造了一个代表大整数的类 T。这个T类有一个加法运算符函数。

class T {
public:
    T operator+(const T &other) const
}

为了测试它的性能，我想反复 执行该函数足够的次数，记录经过的总时间，然后计算平均时间。伪代码如下：

T a, b;
Record the starting timestamp.
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
     a + b;
}
Record the ending timestamp.
Calculate the average time.

但是，由于a+b运算的结果没有被保存，并且operator+函数也不会以任何方式修改a或b，所以a + b；是无副作用的代码，将被编译器优化掉。一种可行的解决方案是改变

 a + b;

到

T t = a + b;

store t somewhere 

但是，这会引入对复制构造函数的调用并增加存储 t 的开销，从而使计时测量不太准确。有没有办法告诉编译器不要优化掉 a+b;？

Answer 1

创建需要结果的副作用，例如GNU C

asm volatile("" :: "r"(value))

是

volatile

，因此无法优化掉，并且要求该值存在于寄存器中。但编译为零 asm 指令。

OTOH，这仍然允许将

a+b

计算提升到循环之外，因此您还需要让编译器忘记每次迭代中

a

和

b

的值，例如用

asm("" : "+g"(a), "+g"(b))

告诉编译器这两个变量都是 asm 语句修改的读/写操作数。这可能与

const

不兼容。也许对于只适合内存的 BigInt，您可以获取指向局部变量的指针并使用

"memory"

破坏器使编译器假设数据已被修改，即使您只有

const

引用。

您必须检查汇编以确保没有引入额外的存储/重新加载。 （如何从 GCC/clang 汇编输出中消除“噪音”？）。

"memory"

破坏者不会影响地址尚未被获取的本地变量，但是将地址作为输入操作数传递给

asm

语句应该使其尊重它们。

各种

DoNotOptimize

实现都以这种方式使用 GNU C 内联汇编

#ifdef __GNUC__

。像 nanobench 的

doNotOptimizeAway

和 Google::Benchmark 一样，请参阅相关问答：（Google Benchmark Frameworks DoNotOptimize / 以及另一个回复：其中的

"memory"

clobber ）。 ISO C++ 没有可移植的方法来做到这一点，因此例如使用 MSVC，它们可能会将值存储到

volatile int sink

虚拟变量。

但是在循环携带的依赖链中引入存储/重新加载可能会像调试构建一样造成巨大的减慢（与 L1d 缓存可以吸收的重复存储相同位置不同），因此对于

"+g"(var)

约束没有良好的可移植等效项让编译器假设该值已被修改，而不实际运行任何指令。

"g"

让编译器可以选择内存或寄存器。但 clang 可能总是更喜欢记忆，所以

"+r,m"

可以解决这个问题。