优化编译器中的常量组合

Question

我有一个包含许多小型内联函数的头文件。他们中的大多数碰巧拥有恒定的数据。由于这些函数对性能至关重要，因此它们处理常量的方式变得很重要。据我所知，有两种方法来引用常量：

1）在单独的源文件中定义它们，该文件稍后与应用程序链接。

2) 就地定义常量。

我会选择后一种方式，因为它更易于维护。但是，如果编译器不优化通过内联创建的数千个相等常量，则速度可能会更慢。

问题：

编译器会组合这些相等的常量吗？特别是，将使用以下哪种方法？

1) 跨编译单元的相等常量的组合。
2）跨链接模块（整个程序或库）组合相等常量
3) 将常量与碰巧具有相同位模式的任何静态常量数据组合起来，并满足整个编译单元或整个程序的对齐要求。

我使用现代编译器（GCC4.5）。

我不是汇编专家，因此我无法使用几个简单的测试来回答这个问题:)

编辑：

常量非常大（其中大多数至少 16 个字节），所以编译器无法将它们设为立即值。

编辑2：

代码示例

这个代码就地使用常量：

float_4 sign(float_4 a)
{
    const __attribute__((aligned(16))) float mask[4] = { //I use a macro for this line
        0x80000000, 0x80000000, 0x80000000, 0x80000000};
    const int128 mask = load(mask);
    return b_and(a, mask);
}

Answer 1

根据 GCC 以下选项的作用你想要：

-fmerge-常量

尝试跨编译单元合并相同的常量（字符串常量和浮点常量）。
如果汇编器和链接器支持，则此选项是优化编译的默认选项。使用 -fno-merge-constants 来抑制此行为。
在-O、-O2、-O3、-Os 级别启用。

Answer 2

如果您在头文件中定义常量，如下所示：

int const TEN = 10;
// or
enum { ELEVEN = 11 };

也就是说，在编译翻译单元（.cc 源文件）时，编译器不仅可以看到常量声明，而且可以看到定义，那么编译器肯定会将其替换为即使没有启用优化，生成的代码中的值也是恒定的。

[max@truth test]$ cat test.cc
int const TEN = 10; // definition available
extern int const TWELVE; // only declaration

int foo(int x) { return x + TEN; }
int bar(int x) { return x + TWELVE; }

[max@truth test]$ g++ -S -o - test.cc | c++filt | egrep -v " *\."
foo(int):
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    -4(%rbp), %eax
    addl    $10, %eax
    leave
    ret
bar(int):
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    TWELVE(%rip), %eax
    addl    -4(%rbp), %eax
    leave
    ret
TEN:

请注意 foo(int) 中它如何执行添加操作，如 addl $10, %eax，即 10 个常量被其值替换。另一方面，在 bar(int) 中，它首先执行 movl TWELVE(%rip), %eax 将 TWELVE 的值从内存加载到 eax 寄存器（地址将由链接器解析），然后添加 addl -4(%rbp), %eax。

优化版本如下所示：

[max@truth test]$ g++ -O3 -S -o - test.cc | c++filt | egrep -v " *\."
foo(int):
    leal    10(%rdi), %eax
    ret
bar(int):
    movl    TWELVE(%rip), %eax
    addl    %edi, %eax
    ret

Answer 3

我认为你的问题没有通用的答案。我只给出了 C 的规则，C++ 的规则是不同的。

这在很大程度上取决于常量的类型。一个重要的类是“整数常量表达式”。这些可以在编译时确定并且特别地用作“整数枚举常量”的值。尽可能使用它

enum { myFavoriteDimension = 55/2 };

对于这样的常量，最好的事情通常应该发生：它们被实现为汇编器立即数。它们甚至没有存储位置，直接写入汇编器中，您的问题甚至没有意义。

对于其他数据类型，问题更加微妙。尝试强制执行不采用“const 限定变量”的地址。这可以通过 register 关键字来完成。

register double const something = 5.7;

可能会产生与上面相同的效果。

对于组合类型（struct、union、数组），没有通用的答案或方法。我已经看到 gcc 能够完全优化小数组（10 个元素左右）。