时间与“好像”规则

Question

一般来说， 关于“as-if”规则有一个很好的问题，但我想知道在测量时间方面是否有任何例外。

考虑一下（取自此处略有修改）：

using std::chrono;
auto begin = steady_clock::now();

auto result = some_lengthy_calculation(some_params);

auto end = std::chrono::steady_clock::now();

std::cout << "Time diff = " << duration_cast<microseconds>(end - begin).count() <<std::endl;
std::cout << "Result = " << result;

允许编译器应用导致相同result任何优化。 这里的重点是“as-if”规则并不直接适用于测量的时间。 当然，在应用优化时，测量的时间不应该是恒定的。

所以我的问题是：当根据“as-if”规则允许编译器将其重新排列为以下之一时，我怎么可能用上面的代码可靠地测量时间？

auto temp = some_lengthy_calculation(some_params); // clever "optimization", precompute some stuff

auto begin = steady_clock::now();
auto result = temp;               // yay, I can use it here to pretend to be faster
auto end = steady_clock::now();

std::cout << "Time diff = " << duration_cast<microseconds>(end - begin).count() <<std::endl;
std::cout << "Result = " << result;

甚至“更优化”：

std::cout << "Time diff = " << 42 <<std::endl;
std::cout << "Result = " << some_lengthy_calculation(some_params);

我认为没有理智的编译器会这样做，但是究竟是什么阻止了编译器进行这种“优化”？

TL;博士...

• 可以观察优化和非优化代码之间的运行时差异
• 如果允许编译器优化影响测量的时间，是什么阻止编译器根本不为计时创建任何代码？

Answer 1

编译器不会这样做，您可以确定这一点。

虽然在纯理论中是允许的，获取系统时间涉及系统调用，这对于编译器来说是一个完整的黑匣子。

编译器不能围绕黑盒函数调用重新排序，因为它不能假设这不会有任何副作用或包含任何障碍。

Answer 2

要应用 As-If 规则，编译器必须证明提议的更改对可观察行为没有影响。 您是正确的，时间的流逝不是可观察到的行为。 但是，在重新排序函数的情况下，必须证明函数调用的顺序不会影响可观察行为。

使用计时功能总是会涉及一些测量时间的机制，编译器无法证明重新排序是安全的。 例如，它可能涉及对其无法检查的不透明系统 API 函数或驱动程序函数的调用。 如果我们举一个最透明的例子，一个单调的软件时钟，每次它的状态被采用时，它只会前进 1 个时间单位，就没有办法证明调用顺序无关紧要，因为它确实很重要。