C23 中的 [[reproducible]] 和 [[unsequenced]] 属性是什么，什么时候应该使用它们？

Question

C23 引入了属性

[[reproducible]]

和

[[unsequenced]]

。

• 他们背后的动机是什么？
• 它们是如何定义的，它们对函数有什么影响？
• 我应该将它们应用于什么样的功能？

Answer 1

引发问题的是，当没有可用的函数定义时，编译器无法洞察函数。这会阻止几乎所有编译器优化（除非使用 LTO）。

考虑以下示例：

// note: this is redundant, because [[unsequenced]] implies [[reproducible]]
int square(int x) [[reproducible]] [[unsequenced]];

int arr[] = {
    square(2),
    square(2),
    square(3),
    square(3),
};

即使编译器没有

square

的定义，也允许执行两种优化：

• 因为该函数是

  [[reproducible]]

  ，连续调用两次

  square(2)

  会产生相同的结果，并且编译器可以决定仅调用

  square(2)

  一次
• 因为函数是

  [[unsequenced]]

  ，所以可以按任意顺序调用

  square

  ，编译器甚至可以决定在程序启动时只计算一次

  square(2)

  。它还可以决定在

  square(3)

  之前评估

  square(2)

  ，如果这样更有效的话。

此类优化也可以通过在标头中定义函数

inline

来实现，并让编译器可以自行推断这些属性。然而，对于复杂的函数，由于增加了编译速度，使所有内容都

inline

是不可行的。

半正式定义

更严格的解释，请参阅 C23 标准工作草案 N3096 §6.7.12.7 函数类型的标准属性。

[[reproducible]]

此属性断言函数是可重现函数，这意味着

• 它没有效果，而且
• 它是幂等

Effectless 限制函数可以修改的状态。如果修改任何非本地状态，则只能通过传递给它的指针来发生。例如，如果

void to_upper_case(char* str)

函数仅修改局部变量和 str 的内容，则它是

effectless

。 （直观上，该函数没有可观察到的副作用。）

幂等意味着多次调用该函数与调用一次具有相同的效果。例如，我们可以调用

to_upper_case(s); to_upper_case(s);

，它与只调用一次具有相同的效果。

[[unsequenced]]

此属性断言函数是一个 无序函数，这意味着

• 它是无效果和幂等（这也使得它可重现）
• 它是无状态
• 它独立

无状态意味着

static

或

thread_local

局部变量不能是非

const

，也不能是

volatile

。

独立意味着函数的所有调用都会看到相同的全局变量值，不会改变全局状态，也不会通过指针参数改变任何状态。

to_upper_case

不是独立的，但像

strlen

这样的函数可以是独立的。

直观地说，未排序函数可以任意排序，甚至可以在其观察到的状态变化之间并行排序：（另请参阅标准中的脚注 196）

char *str = /* ... */;  // A
  strlen(str);
  global = 123;
  strlen(str);
strcpy(str, /* ... */); // B

在此示例中，点

strlen

和

A

之间可以有一次、两次或无限多次对

B

的调用。这些可以顺序发生，也可以并行发生。无论如何，“未排序”函数的结果必须相同。 global的突变不允许改变

strlen

的结果。GCC 属性注意事项

GCC 属性

pure

 和 

const

 是这些标准属性的灵感来源，并且行为类似。请参阅

N2956 5.8 与 GCC const 和 pure 的一些差异进行比较。简而言之：

pure
• 比

  [[independent]]

  更轻松
  

const
• 比

  [[unsequenced]]

  更严格
  

何时使用这些属性

这些属性适用于想要利用编译器优化的高级用户。

一般来说，应用它们时必须非常小心。该程序格式不正确，如果将它们应用于不具有断言属性的函数，则无需进行诊断。我们鼓励编译器检测这些属性的此类滥用，但这不是必需的。

常见示例（和惊喜）

printf
• 显然两者都不是
strlen
• 和

  memcmp

  可以是

  [[unsequenced]]

memcpy
• 可以是

  [[reproducible]]

memmove
• 也不可能，因为对于重叠的内存区域来说它不是

  幂等

fabs
• 可以是

  [[unsequenced]]

sqrt
• 也不可能，因为它会修改浮点环境并可能设置

  errno

另请参阅

GNU C 中的

__attribute__((const)) 与 __attribute__((pure))
C++11 的 constexpr 和 C23 的 [[reproducible]] 有什么区别？
如何使用GCC的pure属性？