C99の「restrict」キーワードの現実的な使用法

私はいくつかのドキュメントと質問/回答を閲覧していて、それが言及されているのを見ました。私は簡単な説明を読み、基本的にはポインターが他の場所を指すために使用されないことがプログラマーからの約束であると述べました。

誰かが実際にこれを使用する価値があるいくつかの現実的なケースを提供できますか？

restrictポインタは、基になるオブジェクトにアクセスする唯一のものであると述べています。ポインターのエイリアシングの可能性を排除し、コンパイラーによる最適化を改善します。

たとえば、メモリ内の数値のベクトルを乗算できる特殊な命令を備えたマシンがあり、次のコードがあるとします。

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

コンパイラが適切であれば処理する必要がありdest、src1とsrc2それは最初から最後まで、一度に一つの乗算を行う必要がありますつまり、重複を。を持つことrestrictにより、コンパイラーはベクトル命令を使用してこのコードを自由に最適化できます。

Wikipediaには、restrict別の例を挙げて、にエントリがあります。

Wikipediaの例では、され、非常照明します。

これは、1つのアセンブリ命令を保存する方法を明確に示しています。

制限なし：

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

疑似アセンブリ：

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

制限あり：

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

疑似アセンブリ：

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

GCCは本当にそれをしますか？

GCC 4.8 Linux x86-64：

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

で-O0、それらは同じです。

と-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) 

初心者の場合、呼び出し規約は次のとおりです。

• rdi =最初のパラメータ
• rsi = 2番目のパラメーター
• rdx = 3番目のパラメーター

GCCの出力はwikiの記事よりもさらに明確でした：4つの指示対3つの指示。

配列

これまでのところ、単一の命令で節約できますが、ポインタがループされる配列を表す場合（一般的な使用例）、supercatで述べたように、一連の命令を節約できます。

例を考えてみましょう：

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

のためrestrict、スマートコンパイラ（または人間）はそれを次のように最適化できます。

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

まともなlibc実装（glibcなど）でアセンブリ最適化される可能性があるため、潜在的にはるかに効率的です。パフォーマンスの観点から、std :: memcpy（）またはstd :: copy（）を使用する方が良いですか？

GCCは本当にそれをしますか？

GCC 5.2.1.Linux x86-64 Ubuntu 15.10：

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

では-O0、どちらも同じです。

と-O3：

• 制限付き：

  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

  memset予想通り2つの呼び出し。

• 制限なし：stdlib呼び出しなし、ここで再現するつもりはない16回の反復幅のループ展開のみ :-)

私はそれらをベンチマークする忍耐力がありませんでしたが、制限バージョンの方が速くなると思います。

C99

完全を期すために標準を見てみましょう。

restrict2つのポインタが重複するメモリ領域を指すことはできないと述べています。最も一般的な使用法は関数の引数です。

これにより、関数の呼び出し方法が制限されますが、コンパイル時の最適化が強化されます。

呼び出し元がrestrict契約に従わない場合、動作は未定義です。

C99 N1256ドラフト 6.7.3 / 7「タイプ修飾子」と言います。

制限修飾子（レジスタストレージクラスなど）の使用目的は、最適化を促進することであり、適合プログラムを構成するすべての前処理翻訳単位から修飾子のすべてのインスタンスを削除しても、その意味（つまり、観察可能な動作）は変わりません。

6.7.3.1「制限の正式な定義」では、詳細について説明しています。

厳格なエイリアシングルール

restrictキーワードは、互換性のあるタイプのポインタ（例えば、2に影響を与えint*、厳密なエイリアシング規則は互換性のない型をエイリアシングすると、デフォルトでは未定義の動作であることを言うので）、およびコンパイラが想定できるので、それが離れて起こると最適化しません。

参照：厳密なエイリアスルールとは何ですか？

こちらもご覧ください

• C ++ 14にはまだの類似物はありませんが、restrictGCCには__restrict__拡張機能があります。があります。C++でのrestrictキーワードの意味は何ですか？
• 尋ねる多くの質問：悲惨な詳細によると、このコードはUBですか？
  • 例による限定修飾子の理解
  • 制限付きポインタの質問
  • 制限付きポインターを別のポインターに割り当て、2番目のポインターを使用して値を変更することは合法ですか？
• 「使用する場合」の質問：制限を使用する場合と使用しない場合
• 関連するGCC __attribute__((malloc))は、関数の戻り値は何にもエイリアスされないことを示しています：GCC：__attribute __（（malloc））