C/C++關鍵字之restrict

時間 2021-02-27

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C/C++關鍵字之restrict

在C語言中，restrict關鍵字用於修飾指針(C99標準)。經過加上restrict關鍵字，編程者可提示編譯器：在該指針的生命週期內，其指向的對象不會被別的指針所引用。github

須要注意的是，在C++中，並沒有明確統一的標準支持restrict關鍵字。可是不少編譯器實現了功能相同的關鍵字，例如gcc和clang中的__restrict關鍵字。編程

那麼restrict關鍵字能給程序的實際運行帶來哪些好處呢？下面舉例說明後端

int add1(int* a, int* b)
{
    *a = 10;
    *b = 12;
    return *a + *b;
}

你們猜猜add1函數的返回值是多少？是10 + 12 = 22嗎？性能優化

答案是不必定。在指針a和b的地址不一樣時，返回22沒有問題。可是當指針a與b指向的是同一個int對象時，該對象先被賦值爲10，後被賦值爲12，所以a和b都返回12,所以add1函數最終返回24微信

使用-O3優化, add1對應的彙編代碼以下。能夠看到，在計算返回值時，爲了獲得*a的值訪問了1次內存，而無論在何種條件下(a == b or a != b)，*b的值都是12。所以聰明的編譯器將*a的值載入eax寄存器後，直接加上當即數12，而無需再訪問內存獲取*b的值。在沒法肯定指針a和b是否相同的狀況下，編譯器只能幫你到這裏了.函數

0000000000400a10 <_Z4add1PiS_>:
  400a10:   c7 07 0a 00 00 00       movl   $0xa,(%rdi) ; *a = 10
  400a16:   c7 06 0c 00 00 00       movl   $0xc,(%rsi) ; *b = 10
  400a1c:   8b 07                   mov    (%rdi),%eax ; 結果 = *a
  400a1e:   83 c0 0c                add    $0xc,%eax   ; 結果 += 12 
  400a21:   c3                      retq

可是若是加上了restrict關鍵字，狀況便大不相同。C/C++和通過-O3優化的彙編代碼以下。經過restrict關鍵字，編譯器依然確認指針a和b不可能指向同一個內存地址，所以在求*a + *b時，無需訪問內存，由於*a必然等於當即數10，*b必然等於當即數12。源碼分析

int add2(int* __restrict  a, int* __restrict b) 
{
    *a = 10;
    *b = 12;
    return *a + *b ;
}

0000000000400a30 <_Z4add2PiS_>:
  400a30:   c7 07 0a 00 00 00       movl   $0xa,(%rdi) ; *a = 10
  400a36:   b8 16 00 00 00          mov    $0x16,%eax  ; 結果 = 22
  400a3b:   c7 06 0c 00 00 00       movl   $0xc,(%rsi) ; *b = 12
  400a41:   c3                      retq

經過無restrict和有restrict兩種狀況下的彙編指令可看到，後者比前者少訪問一次內存，且少執行一條指令。所以咱們預期有restrict的版本可以得到可觀的性能提高：性能

int main() 
{
    int * a = new int;
    int * b = new int;


    {
        std::chrono::steady_clock::time_point begin = std::chrono::steady_clock::now();
        for (size_t i=0; i<100000000; i++)
            add1(a, b);
        std::chrono::steady_clock::time_point end = std::chrono::steady_clock::now();
        std::cout << "Time difference = " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds> (end - begin).count() << "[ns]" << std::endl;
    }


 {
        std::chrono::steady_clock::time_point begin = std::chrono::steady_clock::now();
        for (size_t i=0; i<100000000; i++)
            add2(a, b);
        std::chrono::steady_clock::time_point end = std::chrono::steady_clock::now();
        std::cout << "Time difference = " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds> (end - begin).count() << "[ns]" << std::endl;
    }
    return 0;
}

以上代碼分別執行add1和add2函數各一億次，計算兩者耗時，結果以下。優化

Time difference = 146[ns]
Time difference = 56[ns]

在這個case裏，使用restrict可以得到2+倍的性能提高！注意使用restrict的時候，編程者必須確保不會出現pointer aliasing, 即同一塊內存沒法經過兩個或以上的指針變量名訪問。不知足這個條件而強行指定restrict, 將會出現undefined behavior

PS: 此篇文章有感於clickhouse近期一個與restrict有關的性能優化(https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/pull/19946)，只是由於在聚合相關的函數中加上restrict關鍵字，便能使聚合性能提高1.6倍！因此對於我輩碼農來講，多瞭解一些底層原理永遠不虧，說不定哪天你就用上了~