gcc -O优化:帮助我了解效果

MathieuBorderé

因此,我正在学习C,并且目前正在学习《计算机系统:程序员的观点》第三版和相关实验室。我现在正在做的第一个实验,我必须为此实现以下功能。

/* 
* fitsBits - return 1 if x can be represented as an 
*  n-bit, two's complement integer.
*   1 <= n <= 32
*   Examples: fitsBits(5,3) = 0, fitsBits(-4,3) = 1
*   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
*   Max ops: 15
*   Rating: 2
*/
int fitsBits(int x, int n) {
  int sign_bit = (x >> 31 & 1);
  int minus_one = ~1+1;
  int n_minus_one = n + minus_one;
  return  (!(x >> n_minus_one) & !sign_bit)
           | (!(~(x >> n_minus_one)) & sign_bit);
}

该函数将针对以下测试函数运行_a_lot_的测试用例。

int test_fitsBits(int x, int n)
{
  int TMin_n = -(1 << (n-1));
  int TMax_n = (1 << (n-1)) - 1;
  return x >= TMin_n && x <= TMax_n;
}

现在,这是发生奇怪的事情的地方:默认情况下,代码使用以下标志编译-O -Wall -m32

针对测试功能运行我的代码会产生以下断言失败:错误:测试fitsBits(-2147483648 [0x80000000],32 [0x20])失败... ...给出1 [0x1]。应该为0 [0x0]

看来我的代码是正确的,而testcode是伪造的。经过进一步调查,似乎test_function产生以下中间结果:

> Tmin:-2147483648 
> TMax_n:2147483647 
> x: -2147483648 
> x >= TMin_n: 1
> x <= TMax_n: 0
> result: 0

显然-2147483648 <= 2147483647,但是比较以某种方式产生0。

如果我在不带-O标志的情况下编译该程序,则所有测试均成功通过。有人可以阐明这种行为吗?

编辑:对不起,汇编代码是可怕的布局,不知道确切地如何快速修复

Assembly Code without -O;

.section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.macosx_version_min 10, 11
.globl  _test_fitsBits
.align  4, 0x90
_test_fitsBits:                         ## @test_fitsBits
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq   %rbp
Ltmp0:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
.cfi_offset %rbp, -16
movq    %rsp, %rbp
Ltmp2:
.cfi_def_cfa_register %rbp
xorl    %eax, %eax
movb    %al, %cl
movl    $1, %eax
xorl    %edx, %edx
movl    %edi, -4(%rbp)
movl    %esi, -8(%rbp)
movl    -8(%rbp), %esi
subl    $1, %esi
movb    %cl, -17(%rbp)          ## 1-byte Spill
movl    %esi, %ecx
                                    ## kill: CL<def> ECX<kill>
movl    %eax, %esi
shll    %cl, %esi
subl    %esi, %edx
movl    %edx, -12(%rbp)
movl    -8(%rbp), %edx
subl    $1, %edx
movl    %edx, %ecx
                                    ## kill: CL<def> ECX<kill>
shll    %cl, %eax
subl    $1, %eax
movl    %eax, -16(%rbp)
movl    -4(%rbp), %eax
cmpl    -12(%rbp), %eax
movb    -17(%rbp), %cl          ## 1-byte Reload
movb    %cl, -18(%rbp)          ## 1-byte Spill
jl  LBB0_2
## BB#1:
movl    -4(%rbp), %eax
cmpl    -16(%rbp), %eax
setle   %cl
movb    %cl, -18(%rbp)          ## 1-byte Spill
LBB0_2:
movb    -18(%rbp), %al          ## 1-byte Reload
andb    $1, %al
movzbl  %al, %eax
popq    %rbp
retq
.cfi_endproc

.globl  _main
.align  4, 0x90
_main:                                  ## @main
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq   %rbp
Ltmp3:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp4:
.cfi_offset %rbp, -16
movq    %rsp, %rbp
Ltmp5:
.cfi_def_cfa_register %rbp
xorl    %eax, %eax
movl    $0, -4(%rbp)
movl    %edi, -8(%rbp)
movq    %rsi, -16(%rbp)
popq    %rbp
retq
.cfi_endproc


.subsections_via_symbols

带有-O的汇编代码:

.section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.macosx_version_min 10, 11
.globl  _test_fitsBits
.align  4, 0x90
_test_fitsBits:                         ## @test_fitsBits
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq   %rbp
Ltmp0:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
.cfi_offset %rbp, -16
movq    %rsp, %rbp
Ltmp2:
.cfi_def_cfa_register %rbp
                                    ## kill: ESI<def> ESI<kill>       RSI<def>
leal    -1(%rsi), %ecx
movl    $1, %eax
                                    ## kill: CL<def> CL<kill> ECX<kill>
shll    %cl, %eax
movl    %eax, %ecx
negl    %ecx
cmpl    %edi, %eax
setg    %al
cmpl    %ecx, %edi
setge   %cl
andb    %al, %cl
movzbl  %cl, %eax
popq    %rbp
retq
.cfi_endproc

.globl  _main
.align  4, 0x90
_main:                                  ## @main
.cfi_startproc
## BB#0:
pushq   %rbp
Ltmp3:
.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp4:
.cfi_offset %rbp, -16
movq    %rsp, %rbp
Ltmp5:
.cfi_def_cfa_register %rbp
xorl    %eax, %eax
popq    %rbp
retq
.cfi_endproc


.subsections_via_symbols
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oauh的答案解决了为什么这是不确定的行为,但没有解决问题仅出现于的原因-O

-O使编译器更加努力地寻找要优化的东西。在这种情况下,似乎已经意识到x <= (1 << (n-1)) - 1x < (1 << (n-1))-确实相同,因此可以删除- 1

但是,这仅等效于旧代码1 << (n-1),不会溢出。无论如何,编译器都会进行此优化,因为如果发生溢出,则结果将是错误的-这是因为如果发生溢出,则将允许任何结果,因为这是未定义的行为。

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