為什么 Rust 編譯器不優化代碼，假設兩個可變引用不能別名？

Question

據我所知，引用/指針別名會阻礙編譯器生成優化代碼的能力，因為它們必須確保生成的二進制文件在兩個引用/指針確實別名的情況下正確運行。 例如，在下面的 C 代碼中，

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

當使用-O3標志由clang version 6.0.0-1ubuntu2 (tags/RELEASE_600/final)編譯時，它發出

0000000000000000 <adds>:
   0:    8b 07                    mov    (%rdi),%eax
   2:    03 06                    add    (%rsi),%eax
   4:    89 07                    mov    %eax,(%rdi)  # The first time
   6:    03 06                    add    (%rsi),%eax
   8:    89 07                    mov    %eax,(%rdi)  # The second time
   a:    c3                       retq

這里代碼存儲回(%rdi)兩次，以防int *a和int *b別名。

當我們明確告訴編譯器這兩個指針不能用restrict關鍵字做別名時：

void adds(int * restrict a, int * restrict b) {
    *a += *b;
    *a += *b;
}

然后 Clang 將發出二進制代碼的更優化版本：

0000000000000000 <adds>:
   0:    8b 06                    mov    (%rsi),%eax
   2:    01 c0                    add    %eax,%eax
   4:    01 07                    add    %eax,(%rdi)
   6:    c3                       retq

由於 Rust 確保（除了在不安全代碼中）兩個可變引用不能別名，我認為編譯器應該能夠發出更優化的代碼版本。

當我使用下面的代碼進行測試並使用rustc 1.35.0和-C opt-level=3 --emit obj編譯它時，

#![crate_type = "staticlib"]
#[no_mangle]
fn adds(a: &mut i32, b: &mut i32) {
    *a += *b;
    *a += *b;
}

它產生：

0000000000000000 <adds>:
   0:    8b 07                    mov    (%rdi),%eax
   2:    03 06                    add    (%rsi),%eax
   4:    89 07                    mov    %eax,(%rdi)
   6:    03 06                    add    (%rsi),%eax
   8:    89 07                    mov    %eax,(%rdi)
   a:    c3                       retq

這沒有利用a和b不能別名的保證。

這是因為當前的 Rust 編譯器仍在開發中，還沒有結合別名分析來進行優化嗎？

這是因為即使在安全的 Rust 中， a和b仍然有可能別名嗎？

Answer 1

Rust 最初確實啟用了 LLVM 的noalias屬性，但這會導致錯誤編譯的代碼。 當所有支持的 LLVM 版本不再錯誤編譯代碼時，它將重新啟用。

如果將-Zmutable-noalias=yes添加到編譯器選項，您將獲得預期的程序集：

adds:
        mov     eax, dword ptr [rsi]
        add     eax, eax
        add     dword ptr [rdi], eax
        ret

簡而言之，Rust 在任何地方都放置了相當於 C 的restrict關鍵字，比任何普通的 C 程序都流行得多。 這對 LLVM 的極端情況進行了超出其正確處理的能力。 事實證明，C 和 C++ 程序員根本不會像 Rust 中使用&mut那樣頻繁地使用restrict 。

這已經發生了多次。

• Rust 1.0 到 1.7 — 啟用noalias
• Rust 1.8 到 1.27 — 禁用noalias
• Rust 1.28 到 1.29 — 啟用noalias
• Rust 1.30 到 1.54 — 禁用noalias
• Rust 1.54 通過 ??? — 根據編譯器使用的 LLVM 版本有條件地啟用noalias

相關 Rust 問題

• 當前案例

  • 為 nalgebra 的 Matrix::swap_rows() 生成不正確的代碼#54462
  • 一旦 LLVM 不再錯誤編譯它們，默認情況下重新啟用 noalias 注釋 #54878
  • 為 LLVM >= 12 啟用可變 noalias #82834
  • 回歸：由於“可變 noalias”邏輯中的錯誤而導致錯誤編譯 #84958

• 上一案例

  • 通過不將 &mut 指針標記為 noalias 來解決 LLVM 優化器錯誤 #31545
  • 一旦 LLVM 不再錯誤編譯它們，將 &mut 指針標記為 noalias #31681

• 其他

  • 利用 LLVM 的作用域 noalias 元數據 #16515
  • 錯過的優化：來自指針的引用不被視為 noalias #38941
  • noalias 不夠用 #53105
  • 可變 noalias：永久重新啟用，僅用於 panic=abort 或穩定標志？ #45029