Utilisation réaliste du mot-clé «restreindre» C99?

Je feuilletais de la documentation et des questions / réponses et je l'ai vu mentionné. J'ai lu une brève description, indiquant que ce serait fondamentalement une promesse du programmeur que le pointeur ne sera pas utilisé pour pointer ailleurs.

Quelqu'un peut-il proposer des cas réalistes où cela vaut la peine de l'utiliser?

restrictdit que le pointeur est la seule chose qui accède à l'objet sous-jacent. Il élimine le potentiel d'alias de pointeur, permettant une meilleure optimisation par le compilateur.

Par exemple, supposons que j'ai une machine avec des instructions spécialisées qui peuvent multiplier des vecteurs de nombres en mémoire, et que j'ai le code suivant:

void MultiplyArrays(int* dest, int* src1, int* src2, int n)
{
    for(int i = 0; i < n; i++)
    {
        dest[i] = src1[i]*src2[i];
    }
}

Le compilateur doit gérer correctement si dest, src1et se src2chevauchent, ce qui signifie qu'il doit effectuer une multiplication à la fois, du début à la fin. En ayant restrict, le compilateur est libre d'optimiser ce code en utilisant les instructions vectorielles.

Wikipedia a une entrée sur restrict, avec un autre exemple, ici .

L' exemple de Wikipedia est très éclairant.

Il montre clairement comment il permet de sauvegarder une instruction d'assemblage .

Sans restriction:

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

Pseudo assemblage:

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

Avec restrict:

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

Pseudo assemblage:

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

Est-ce que GCC le fait vraiment?

GCC 4.8 Linux x86-64:

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

Avec -O0, ce sont les mêmes.

Avec -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) 

Pour les non-initiés, la convention d'appel est:

• rdi = premier paramètre
• rsi = deuxième paramètre
• rdx = troisième paramètre

La sortie de GCC était encore plus claire que l'article du wiki: 4 instructions contre 3 instructions.

Tableaux

Jusqu'à présent, nous avons des économies d'instructions uniques, mais si le pointeur représente des tableaux à boucler, un cas d'utilisation courant, alors un tas d'instructions pourrait être enregistré, comme mentionné par supercat .

Considérez par exemple:

void f(char *restrict p1, char *restrict p2) {
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        p1[i] = 4;
        p2[i] = 9;
    }
}

En raison de restrict, un compilateur intelligent (ou humain) pourrait optimiser cela pour:

memset(p1, 4, 50);
memset(p2, 9, 50);

ce qui est potentiellement beaucoup plus efficace car il peut être optimisé pour l'assemblage sur une implémentation libc décente (comme la glibc): Est-il préférable d'utiliser std :: memcpy () ou std :: copy () en termes de performances?

Est-ce que GCC le fait vraiment?

GCC 5.2.1.Linux x86-64 Ubuntu 15.10:

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

Avec -O0, les deux sont identiques.

Avec -O3:

• avec restreindre:

  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
  

  Deux memsetappels comme prévu.

• sans restriction: pas d'appels stdlib, juste une boucle large de 16 itérations que je n'ai pas l'intention de reproduire ici :-)

Je n'ai pas eu la patience de les comparer, mais je pense que la version restrictive sera plus rapide.

C99

Examinons la norme par souci d'exhaustivité.

restrictdit que deux pointeurs ne peuvent pas pointer vers des régions de mémoire qui se chevauchent. L'utilisation la plus courante concerne les arguments de fonction.

Cela limite la façon dont la fonction peut être appelée, mais permet davantage d'optimisations au moment de la compilation.

Si l'appelant ne respecte pas le restrictcontrat, comportement indéfini.

Le projet de C99 N1256 6.7.3 / 7 "Qualificatifs de type" dit:

L'utilisation prévue du qualificatif restrict (comme la classe de stockage de registre) est de promouvoir l'optimisation, et la suppression de toutes les instances du qualificatif de toutes les unités de traduction de prétraitement composant un programme conforme ne change pas sa signification (c'est-à-dire le comportement observable).

et 6.7.3.1 "Définition formelle de restreindre" donne les détails sanglants.

Règle d'aliasing stricte

Le restrictmot-clé n'affecte que les pointeurs de types compatibles (par exemple deux int*) car les règles strictes d'aliasing indiquent que l'aliasing des types incompatibles est un comportement indéfini par défaut, et les compilateurs peuvent donc supposer que cela ne se produit pas et s'optimiser.

Voir: Quelle est la règle stricte d'aliasing?

Voir également

• C ++ 14 n'a pas encore d'analogue pour restrict, mais GCC en a __restrict__pour extension: que signifie le mot clé restrict en C ++?
• Beaucoup de questions qui se posent: selon les détails sanglants, ce code UB ou pas?
  • Comprendre le qualificatif de restriction par des exemples
  • Questions de pointeur restreintes
  • Est-il légal d'attribuer un pointeur restreint à un autre pointeur et d'utiliser le deuxième pointeur pour modifier la valeur?
• Une question "quand utiliser": quand utiliser restreindre et quand ne pas le faire
• Le GCC associé __attribute__((malloc)), qui dit que la valeur de retour d'une fonction n'est aliasée sur rien: GCC: __attribute __ ((malloc))