Co oznacza słowo kluczowe ograniczające w C ++?

Zawsze nie byłem pewien, co oznacza słowo kluczowe ograniczające w C ++?

Czy to oznacza, że ​​dwa lub więcej wskaźników nadanych funkcji nie nakłada się? Co to jeszcze znaczy?

W swoim artykule „ Optymalizacja pamięci” Christer Ericson mówi, że chociaż restrictnie jest jeszcze częścią standardu C ++, jest obsługiwany przez wiele kompilatorów i zaleca jego użycie, gdy jest dostępne:

ogranicz słowo kluczowe

! Nowy standard 1999 ANSI / ISO C.

! Jeszcze nie w standardzie C ++, ale obsługiwany przez wiele kompilatorów C ++

! Tylko wskazówka, więc może nic nie robić i nadal być zgodna

Wskaźnik kwalifikowany do ograniczenia (lub odniesienie) ...

! ... jest w zasadzie obietnicą dla kompilatora, że ​​dla zakresu wskaźnika dostęp do celu wskaźnika będzie możliwy tylko przez ten wskaźnik (i wskaźniki skopiowane z niego).

W kompilatorach C ++, które go obsługują, prawdopodobnie powinien on zachowywać się tak samo jak w C.

Zobacz ten post SO, aby uzyskać szczegółowe informacje: Czy realistyczne jest użycie słowa kluczowego „99 ”C99?

Poświęć pół godziny na przejrzenie gazety Ericsona, jest to interesujące i warte czasu.

Edytować

Odkryłem również, że kompilator AIX C / C ++__restrict__ IBM obsługuje słowo kluczowe .

Wydaje się, że g ++ również to obsługuje, ponieważ następujący program kompiluje się czysto na g ++:

#include <stdio.h>

int foo(int * __restrict__ a, int * __restrict__ b) {
    return *a + *b;
}

int main(void) {
    int a = 1, b = 1, c;

    c = foo(&a, &b);

    printf("c == %d\n", c);

    return 0;
}

Znalazłem też fajny artykuł na temat korzystania z restrict:

Odsłanianie słowa kluczowego Ogranicz

Edytuj2

Natknąłem się na artykuł, który konkretnie omawia użycie ograniczeń w programach C ++:

Load-hit-stores i słowo kluczowe __restrict

Microsoft Visual C ++ obsługuje również __restrictsłowo kluczowe .

Jak powiedzieli inni, jeśli nic nie znaczy od C ++ 14 , rozważmy __restrict__rozszerzenie GCC, które robi to samo co C99 restrict.

C99

restrictmówi, że dwa wskaźniki nie mogą wskazywać na nakładające się obszary pamięci. Najczęstszym zastosowaniem są argumenty funkcji.

Ogranicza to sposób wywoływania funkcji, ale pozwala na większą optymalizację kompilacji.

Jeśli dzwoniący nie przestrzega restrictumowy, niezdefiniowane zachowanie.

Projekt C99 N1256 6.7.3 / 7 „Kwalifikatory typu” mówi:

Zamierzonym zastosowaniem kwalifikatora ograniczającego (takiego jak klasa pamięci rejestru) jest promowanie optymalizacji, a usunięcie wszystkich instancji kwalifikatora ze wszystkich jednostek tłumaczenia wstępnego tworzących zgodny program nie zmienia jego znaczenia (tj. Obserwowalnego zachowania).

oraz 6.7.3.1 „Formalna definicja ograniczenia” podaje krwawe szczegóły.

Możliwa optymalizacja

Przykład Wikipedia jest bardzo pouczające.

Wyraźnie pokazuje, jak pozwala zapisać jedną instrukcję montażu .

Bez ograniczeń:

void f(int *a, int *b, int *x) {
  *a += *x;
  *b += *x;
}

Pseudo-montaż:

load R1 ← *x    ; Load the value of x pointer
load R2 ← *a    ; Load the value of a pointer
add R2 += R1    ; Perform Addition
set R2 → *a     ; Update the value of a pointer
; Similarly for b, note that x is loaded twice,
; because x may point to a (a aliased by x) thus 
; the value of x will change when the value of a
; changes.
load R1 ← *x
load R2 ← *b
add R2 += R1
set R2 → *b

Z ograniczeniem:

void fr(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict x);

Pseudo-montaż:

load R1 ← *x
load R2 ← *a
add R2 += R1
set R2 → *a
; Note that x is not reloaded,
; because the compiler knows it is unchanged
; "load R1 ← *x" is no longer needed.
load R2 ← *b
add R2 += R1
set R2 → *b

Czy GCC naprawdę to robi?

g++ 4.8 Linux x86-64:

g++ -g -std=gnu++98 -O0 -c main.cpp
objdump -S main.o

Z -O0są takie same.

Z -O3:

void f(int *a, int *b, int *x) {
    *a += *x;
   0:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   2:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
   4:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
   6:   01 06                   add    %eax,(%rsi)  

void fr(int *__restrict__ a, int *__restrict__ b, int *__restrict__ x) {
    *a += *x;
  10:   8b 02                   mov    (%rdx),%eax
  12:   01 07                   add    %eax,(%rdi)
    *b += *x;
  14:   01 06                   add    %eax,(%rsi) 

Dla niewtajemniczonych konwencja wywoływania to:

• rdi = pierwszy parametr
• rsi = drugi parametr
• rdx = trzeci parametr

Wynik GCC był jeszcze wyraźniejszy niż artykuł na wiki: 4 instrukcje vs 3 instrukcje.

Tablice

Do tej pory mamy oszczędności pojedynczych instrukcji, ale jeśli wskaźnik reprezentuje tablice, które mają być zapętlone, co jest powszechnym przypadkiem użycia, wówczas można zapisać kilka instrukcji, o czym wspominają supercat i michael .

Rozważ na przykład:

void f(char *restrict p1, char *restrict p2, size_t size) {
     for (size_t i = 0; i < size; i++) {
         p1[i] = 4;
         p2[i] = 9;
     }
 }

Z tego powodu restrictinteligentny kompilator (lub człowiek) może zoptymalizować to w celu:

memset(p1, 4, size);
memset(p2, 9, size);

Który jest potencjalnie znacznie bardziej wydajny, ponieważ może być zoptymalizowany pod kątem montażu w porządnej implementacji libc (takiej jak glibc) Czy lepiej jest używać std :: memcpy () lub std :: copy () pod względem wydajności? , ewentualnie z instrukcjami SIMD .

Bez ograniczenia ta optymalizacja nie byłaby możliwa, np. Rozważ:

char p1[4];
char *p2 = &p1[1];
f(p1, p2, 3);

Następnie forwersja tworzy:

p1 == {4, 4, 4, 9}

podczas gdy memsetwersja zapewnia:

p1 == {4, 9, 9, 9}

Czy GCC naprawdę to robi?

GCC 5.2.1.Linux x86-64 Ubuntu 15.10:

gcc -g -std=c99 -O0 -c main.c
objdump -dr main.o

Z -O0, oba są takie same.

Z -O3:

• z ograniczeniem:

  3f0:   48 85 d2                test   %rdx,%rdx
  3f3:   74 33                   je     428 <fr+0x38>
  3f5:   55                      push   %rbp
  3f6:   53                      push   %rbx
  3f7:   48 89 f5                mov    %rsi,%rbp
  3fa:   be 04 00 00 00          mov    $0x4,%esi
  3ff:   48 89 d3                mov    %rdx,%rbx
  402:   48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
  406:   e8 00 00 00 00          callq  40b <fr+0x1b>
                          407: R_X86_64_PC32      memset-0x4
  40b:   48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
  40f:   48 89 da                mov    %rbx,%rdx
  412:   48 89 ef                mov    %rbp,%rdi
  415:   5b                      pop    %rbx
  416:   5d                      pop    %rbp
  417:   be 09 00 00 00          mov    $0x9,%esi
  41c:   e9 00 00 00 00          jmpq   421 <fr+0x31>
                          41d: R_X86_64_PC32      memset-0x4
  421:   0f 1f 80 00 00 00 00    nopl   0x0(%rax)
  428:   f3 c3                   repz retq
  

  Dwa memsetpołączenia zgodnie z oczekiwaniami.

• bez ograniczeń: brak wywołań stdlib, tylko rozwijanie pętli o szerokości 16 iteracji, których nie zamierzam tu odtwarzać :-)

Nie miałem cierpliwości, by je testować, ale wierzę, że wersja z ograniczeniami będzie szybsza.

Ścisła zasada aliasingu

Słowo restrictkluczowe wpływa tylko na wskaźniki kompatybilnych typów (np. Dwa int*), ponieważ surowe reguły aliasingu mówią, że aliasing niezgodnych typów jest domyślnie niezdefiniowanym zachowaniem, więc kompilatory mogą założyć, że tak się nie dzieje i zoptymalizować.

Zobacz: jaka jest ścisła zasada aliasingu?

Czy to działa w odniesieniu do referencji?

Zgodnie z dokumentacją GCC robi to: https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-5.1.0/gcc/Restricted-Pointers.html ze składnią:

int &__restrict__ rref

Istnieje nawet wersja thisfunkcji członkowskich:

void T::fn () __restrict__

Nic. Został dodany do standardu C99.

To jest oryginalna propozycja dodania tego słowa kluczowego. Jak jednak wyraźnie zaznaczono, jest to funkcja C99 ; nie ma to nic wspólnego z C ++.

W C ++ nie ma takiego słowa kluczowego. Lista słów kluczowych C ++ znajduje się w sekcji 2.11 / 1 standardu języka C ++. restrictjest słowem kluczowym w wersji C99 języka C, a nie w C ++.

Ponieważ pliki nagłówkowe z niektórych bibliotek C używają słowa kluczowego, język C ++ będzie musiał coś z tym zrobić .. przynajmniej, ignorując słowo kluczowe, więc nie musimy # definiować słowa kluczowego do pustego makra, aby stłumić słowo kluczowe .