「while（1）;」を最適化する C ++ 0x

更新されました、以下を参照してください！

C ++ 0xを使用すると、コンパイラーが次のスニペットの「Hello」を出力できるようになる

#include <iostream>

int main() {
  while(1) 
    ;
  std::cout << "Hello" << std::endl;
}

スレッドと最適化機能に関係しているようです。しかし、これは多くの人を驚かせる可能性があるようです。

許可するためにこれが必要だった理由について誰かが良い説明をしていますか？参考までに、最新のC ++ 0xドラフトは次のように述べています。6.5/5

forステートメントの場合のfor-init-statementの外側のループ

• ライブラリI / O関数を呼び出さない。
• 揮発性オブジェクトにアクセスまたは変更しない、および
• 同期操作（1.10）またはアトミック操作（29節）を実行しない

実装は終了すると想定できます。[注：これは、終了が証明できない場合でも、空のループの削除などのコンパイラ変換を可能にすることを目的としています。—エンドノート]

編集：

この洞察に満ちた記事は、その標準テキストについて述べています

残念ながら、「未定義の動作」という言葉は使用されていません。ただし、標準で「コンパイラはPを想定している可能性があります」と記載されている場合は常に、not-Pプロパティを持つプログラムはセマンティクスが未定義であることを意味します。

それは正しいですか、コンパイラは上記のプログラムの「バイ」を出力することを許可されていますか？

ここにはさらに洞察に満ちたスレッドがあります。これはCへの類似の変更に関するもので、上記のリンクされた記事を書いた人によって開始されました。他の有用な事実の中で、それらはC ++ 0xにも適用されると思われる解決策を提示します（更新：これはn3225ではもう機能しません-下記を参照してください！）

endless:
  goto endless;

コンパイラはループではなくジャンプなので、それを最適化することはできません。別の男はC ++ 0xとC201Xで提案された変更を要約します

ループを書き込むことによって、プログラマがアサートされているいずれかのループは、可視挙動を有するもの（実行I / O、アクセス揮発性オブジェクト、または実行同期または原子操作）をしていること、 またはそれが最終的に終了すること。副作用のない無限ループを作成してその仮定に違反すると、コンパイラーに嘘をついてしまい、プログラムの動作は未定義になります。（運が良ければ、コンパイラーが警告するかもしれません。）この言語は、目に見える動作なしで無限ループを表現する方法を提供していません（提供していませんか？）。

2011年3月31日にn3225で更新：委員会はテキストを1.10 / 24に移動し、

実装は、すべてのスレッドが最終的に次のいずれかを実行すると想定する場合があります。

• 終了、
• ライブラリI / O関数を呼び出します。
• 揮発性オブジェクトへのアクセスまたは変更、または
• 同期操作またはアトミック操作を実行します。

gotoトリックはなりませんもう仕事します！

許可するためにこれが必要だった理由について誰かが良い説明をしていますか？

はい、Hans BoehmがN1528でこれについての理論的根拠を提供しています。なぜ無限ループの動作が未定義なのですか？、これはWG14文書ですが、根拠はC ++にも適用され、文書はWG14とWG21の両方を参照します。

N1509が正しく指摘しているように、現在のドラフトは本質的に6.8.5p6の無限ループに未定義の動作を与えています。そうすることの主な問題は、コードが潜在的に終了しないループを越えて移動できることです。たとえば、countとcount2がグローバル変数である（またはアドレスが取得されている）次のループがあり、pがアドレスが取得されていないローカル変数であると仮定します。

for (p = q; p != 0; p = p -> next) {
    ++count;
}
for (p = q; p != 0; p = p -> next) {
    ++count2;
}

これらの2つのループをマージして、次のループに置き換えることはできますか？

for (p = q; p != 0; p = p -> next) {
        ++count;
        ++count2;
}

無限ループの6.8.5p6で特別な条件がなければ、これは許可されません。qが循環リストを指しているために最初のループが終了しない場合、元のループはcount2に書き込みません。したがって、count2にアクセスまたは更新する別のスレッドと並行して実行できます。これは、無限ループにもかかわらずcount2にアクセスする変換バージョンではもはや安全ではありません。したがって、変換によってデータ競合が発生する可能性があります。

このような場合、コンパイラーがループの終了を証明できる可能性はほとんどありません。qが非循環リストを指していることを理解する必要があります。これは、ほとんどの主流のコンパイラーの能力を超えており、プログラム全体の情報なしでは不可能であることが多いと思います。

非終了ループによって課される制限は、コンパイラーが終了を証明できない終了ループの最適化、および実際に非終了ループの最適化に対する制限です。前者は後者よりもはるかに一般的であり、多くの場合、最適化する方が興味深いです。

コンパイラーが終了を証明することが困難であり、コンパイラーが6.8.5p6なしでループを再構成することが困難である整数ループ変数を持つforループも明らかに存在します。のようなものでも

for (i = 1; i != 15; i += 2)

または

for (i = 1; i <= 10; i += j)

処理するのは簡単ではないようです。（前者の場合、終了を証明するためにいくつかの基本的な数論が必要です。後者の場合、そうするためにjの可能な値について何かを知る必要があります。符号なし整数のラップアラウンドはこの推論のいくつかをさらに複雑にするかもしれません。 ）

この問題は、コンパイラの並列化やキャッシュ最適化変換など、ほとんどすべてのループ再構成変換に当てはまるようです。どちらも重要性が増し、数値コードではすでに重要なことが多いです。これは、可能な限り最も自然な方法で無限ループを記述できるという利点のために、かなりのコストになりそうです。特に、ほとんどの人が意図的に無限ループを記述することはめったにないためです。

Cとの主な違いの1つは、C11は C ++とは異なる定数式である式を制御するための例外を提供し、特定の例をC11で明確に定義することです。

私にとって、関連する正当化は次のとおりです。

これは、終了が証明できない場合でも、空のループの削除などのコンパイラ変換を可能にすることを目的としています。

おそらく、これは終了を機械的に証明することが難しいためであり、終了を証明できないとコンパイラーが妨害され、そうでなければ、依存しない操作をループの前から後へ、またはその逆に移動するなど、有用な変換が行われ、1つのスレッドでループ後の操作が実行されます。ループは別のループで実行されます。これらの変換がない場合、ループは、1つのスレッドがループを終了するのを待つ間、他のすべてのスレッドをブロックする可能性があります。（個別のVLIW命令ストリームを含む、あらゆる形式の並列処理を意味するために「スレッド」を大まかに使用します。）

編集：ダムの例：

while (complicated_condition()) {
    x = complicated_but_externally_invisible_operation(x);
}
complex_io_operation();
cout << "Results:" << endl;
cout << x << endl;

ここでは、1つのスレッドがcomplex_io_operation他のスレッドでループ内のすべての複雑な計算を実行している間、その方が高速です。しかし、引用した句がない場合、コンパイラは最適化を行う前に2つのことを証明する必要があります。1）complex_io_operation()ループの結果に依存しないこと、および2）ループが終了することです。証明1）はかなり簡単で、証明2）は停止の問題です。この句を使用すると、ループが終了し、並列化の勝利が得られると想定できます。

また、設計者が本番用コードで無限ループが発生するケースは非常にまれであり、通常、何らかの方法でI / Oにアクセスするイベント駆動型ループのようなものであると考えたと想像します。その結果、彼らはより一般的なケース（非無限、しかし機械的に非無限ループを証明するのは難しい）を最適化するために、まれなケース（無限ループ）を悲観的にしました。

ただし、学習例で使用される無限ループは結果として影響を受け、初心者コードで問題が発生することを意味します。これは完全に良いことだとは言えません。

編集：あなたが今リンクしている洞察に満ちた記事に関して、私は「コンパイラはプログラムについてXを想定するかもしれない」と「プログラムがXを満たさない場合、動作は未定義です」と論理的に同等だと言います。これを次のように示すことができます。プロパティXを満たさないプログラムが存在するとします。このプログラムの動作はどこで定義されますか？標準は、プロパティXがtrueであると仮定した場合の動作のみを定義します。標準は動作を未定義と明示的に宣言していませんが、省略によって未定義と宣言しています。

同様の引数を検討してください。「コンパイラは、変数xがシーケンスポイント間で最大1回だけ割り当てられると想定する場合があります」は、「シーケンスポイント間でxに複数回割り当てることは未定義です」と同等です。

私は正しい解釈はあなたの編集によるものだと思います：空の無限ループは未定義の動作です。

これは特に直感的な動作とは言えませんが、この解釈は、コンパイラーがUBを呼び出さずに無限ループを無視することを任意に許可されているという、他の解釈よりも理にかなっています。

無限ループがUBの場合、それは非終了プログラムが意味がないと見なされていることを意味します。C++ 0xによると、それらにはセマンティクスがありません。

それもある程度の意味があります。これらは特殊なケースであり、いくつかの副作用が発生しなくなっただけで（たとえば、から何も返されないmainなど）、無限ループを保持する必要があるため、コンパイラの最適化が妨げられます。たとえば、ループに副作用がない場合、計算をループ全体に移動することは完全に有効です。結局のところ、いずれにしても計算が実行されるためです。我々はので、しかし、場合ループは、我々はその両端安全に再配置することはできませんコード、終了したことがないかもしれないだけで、実際にプログラムがハングアップする前に実行されますどの操作変更します。ぶら下げプログラムをUBとして扱わない限り、それはそうです。

これは、このタイプの質問に沿っていると思います。スレッドます。最適化により、空のループが削除される場合があります。

関連する問題は、副作用が競合しないコードをコンパイラーがリオーダーできることです。コンパイラが無限ループの非終了マシンコードを生成した場合でも、驚くべき実行順序が発生する可能性があります。

これは正しいアプローチだと思います。言語仕様は、実行の順序を強制する方法を定義します。並べ替えられない無限ループが必要な場合は、次のように記述します。

volatile int dummy_side_effect;

while (1) {
    dummy_side_effect = 0;
}

printf("Never prints.\n");

この問題はおそらく、「後のコードが前のコードに依存せず、前のコードがシステムの他の部分に影響を及ぼさない場合、コンパイラーの出力前者がループを含む場合でも、前者のコードが実際にいつ完了するかどうかに関係なく、前者の実行の前、後、または混合して、後のコードを実行する可能性があります。たとえば、コンパイラは次のように書き直すことができます。

void testfermat（int n）
{
  int a = 1、b = 1、c = 1;
  while（pow（a、n）+ pow（b、n）！= pow（c、n））
  {
    if（b> a）a ++; else if（c> b）{a = 1; b ++}; その他{a = 1; b = 1; c ++};
  }
  printf（ "結果は"）;
  printf（ "％d /％d /％d"、a、b、c）;
}

なので

void testfermat（int n）
{
  if（fork_is_first_thread（））
  {
    int a = 1、b = 1、c = 1;
    while（pow（a、n）+ pow（b、n）！= pow（c、n））
    {
      if（b> a）a ++; else if（c> b）{a = 1; b ++}; その他{a = 1; b = 1; c ++};
    }
    signal_other_thread_and_die（）;
  }
  else // 2番目のスレッド
  {
    printf（ "結果は"）;
    wait_for_other_thread（）;
  }
  printf（ "％d /％d /％d"、a、b、c）;
}

私はそれを心配するかもしれませんが、一般的に不合理ではありません：

  int total = 0;
  for（i = 0; num_reps> i; i ++）
  {
    update_progress_bar（i）;
    total + = do_something_slow_with_no_side_effects（i）;
  }
  show_result（合計）;

なるだろう

  int total = 0;
  if（fork_is_first_thread（））
  {
    for（i = 0; num_reps> i; i ++）
      total + = do_something_slow_with_no_side_effects（i）;
    signal_other_thread_and_die（）;
  }
  そうしないと
  {
    for（i = 0; num_reps> i; i ++）
      update_progress_bar（i）;
    wait_for_other_thread（）;
  }
  show_result（合計）;

1つのCPUで計算を処理し、別のCPUで進行状況バーの更新を処理することにより、書き換えによって効率が向上します。残念ながら、それはプログレスバーの更新を本来よりも使いにくくします。

それが無限ループである場合、それは重要なケースのコンパイラにとって決定的ではありません。

場合によっては、オプティマイザがコードのより複雑なクラスに到達する可能性があります（たとえば、O（n ^ 2）であり、最適化後にO（n）またはO（1）を取得します）。

したがって、C ++標準に無限ループを削除できないようなルールを含めると、多くの最適化が不可能になります。そして、ほとんどの人はこれを望んでいません。これはあなたの質問にかなり答えていると思います。

別のこと：何もしない無限ループが必要な有効な例を見たことがない。

私が聞いた1つの例は、実際には別の方法で解決する必要がある醜いハックでした。リセットをトリガーする唯一の方法は、ウォッチドッグが自動的に再起動するようにデバイスをフリーズすることであった組み込みシステムに関するものでした。

何もしない無限ループが必要な有効で良い例を知っているなら、教えてください。

不揮発性で同期されていない変数を介して他のスレッドとやり取りするという事実を除いて、無限のループは新しいコンパイラーで正しくない動作をする可能性があることを指摘する価値があると思います。

つまり、グローバルを揮発性にする-ポインタ/参照を介してそのようなループに渡される引数と同様に。