c++ - 在 g++ 上进行聚合初始化的 std::array 会生成大量代码

Question

在 g++ 4.9.2 和 5.3.1 上，此代码需要几秒钟才能编译并生成 52,776 字节的可执行文件:

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
    constexpr std::size_t size = 4096;

    struct S
    {
        float f;
        S() : f(0.0f) {}
    };

    std::array<S, size> a = {};  // <-- note aggregate initialization

    for (auto& e : a)
        std::cerr << e.f;

    return 0;
}

增加 size 似乎会线性增加编译时间和可执行文件大小。我无法使用 clang 3.5 或 Visual C++ 2015 重现此行为。使用 -Os 没有区别。

$ time g++ -O2 -std=c++11 test.cpp
real    0m4.178s
user    0m4.060s
sys     0m0.068s

检查汇编代码发现a的初始化被展开，生成4096 movl指令:

main:
.LFB1313:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbx
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 3, -16
    subq    $16384, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 16400
    movl    $0x00000000, (%rsp)
    movl    $0x00000000, 4(%rsp)
    movq    %rsp, %rbx
    movl    $0x00000000, 8(%rsp)
    movl    $0x00000000, 12(%rsp)
    movl    $0x00000000, 16(%rsp)
       [...skipping 4000 lines...]
    movl    $0x00000000, 16376(%rsp)
    movl    $0x00000000, 16380(%rsp)

这仅在 T 具有非平凡构造函数并且使用 {} 初始化数组时发生。如果我执行以下任何操作，g++ 会生成一个简单的循环:

1. 删除S::S();
2. 移除S::S()并在类内初始化S::f；
3. 移除聚合初始化(= {})；
4. 不使用-O2编译。

我完全赞成将循环展开作为一种优化，但我认为这不是一个很好的优化。在我将此报告为错误之前，有人可以确认这是否是预期的行为吗？

[编辑:我打开了a new bug为此，因为其他人似乎不匹配。它们更多的是关于较长的编译时间，而不是奇怪的代码生成。]

Answer 1

似乎有一个相关的错误报告，Bug 59659 - large zero-initialized std::array compile time excessive .对于 4.9.0，它被认为是“固定的”，所以我认为这个测试用例要么是回归，要么是补丁未覆盖的边缘用例。值得一提的是，两个错误报告的测试用例 ^{1 , 2} 在 GCC 4.9.0 和 5.3.1 上都对我表现出症状

还有两个相关的错误报告:

Bug 68203 - Аbout infinite compilation time on struct with nested array of pairs with -std=c++11

Andrew Pinski 2015-11-04 07:56:57 UTC

This is most likely a memory hog which is generating lots of default constructors rather than a loop over them.

那个声称是这个的复制品:

Bug 56671 - Gcc uses large amounts of memory and processor power with large C++11 bitsets

Jonathan Wakely 2016-01-26 15:12:27 UTC

Generating the array initialization for this constexpr constructor is the problem:

  constexpr _Base_bitset(unsigned long long __val) noexcept
  : _M_w{ _WordT(__val)
   } { }

确实，如果我们将其更改为 S a[4096] {}; 我们不会遇到问题。

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使用 perf 我们可以看到 GCC 大部分时间都花在了哪里。第一:

性能记录 g++ -std=c++11 -O2 test.cpp

然后性能报告:

  10.33%  cc1plus   cc1plus                 [.] get_ref_base_and_extent
   6.36%  cc1plus   cc1plus                 [.] memrefs_conflict_p
   6.25%  cc1plus   cc1plus                 [.] vn_reference_lookup_2
   6.16%  cc1plus   cc1plus                 [.] exp_equiv_p
   5.99%  cc1plus   cc1plus                 [.] walk_non_aliased_vuses
   5.02%  cc1plus   cc1plus                 [.] find_base_term
   4.98%  cc1plus   cc1plus                 [.] invalidate
   4.73%  cc1plus   cc1plus                 [.] write_dependence_p
   4.68%  cc1plus   cc1plus                 [.] estimate_calls_size_and_time
   4.11%  cc1plus   cc1plus                 [.] ix86_find_base_term
   3.41%  cc1plus   cc1plus                 [.] rtx_equal_p
   2.87%  cc1plus   cc1plus                 [.] cse_insn
   2.77%  cc1plus   cc1plus                 [.] record_store
   2.66%  cc1plus   cc1plus                 [.] vn_reference_eq
   2.48%  cc1plus   cc1plus                 [.] operand_equal_p
   1.21%  cc1plus   cc1plus                 [.] integer_zerop
   1.00%  cc1plus   cc1plus                 [.] base_alias_check

这对除了 GCC 开发人员之外的任何人都没有多大意义，但看看是什么占用了这么多编译时间仍然很有趣。

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Clang 3.7.0 在这方面做得比 GCC 好得多。在 -O2 上，编译时间不到一秒，生成的可执行文件小得多(8960 字节)，而这个程序集:

0000000000400810 <main>:
  400810:   53                      push   rbx
  400811:   48 81 ec 00 40 00 00    sub    rsp,0x4000
  400818:   48 8d 3c 24             lea    rdi,[rsp]
  40081c:   31 db                   xor    ebx,ebx
  40081e:   31 f6                   xor    esi,esi
  400820:   ba 00 40 00 00          mov    edx,0x4000
  400825:   e8 56 fe ff ff          call   400680 <memset@plt>
  40082a:   66 0f 1f 44 00 00       nop    WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  400830:   f3 0f 10 04 1c          movss  xmm0,DWORD PTR [rsp+rbx*1]
  400835:   f3 0f 5a c0             cvtss2sd xmm0,xmm0
  400839:   bf 60 10 60 00          mov    edi,0x601060
  40083e:   e8 9d fe ff ff          call   4006e0 <_ZNSo9_M_insertIdEERSoT_@plt>
  400843:   48 83 c3 04             add    rbx,0x4
  400847:   48 81 fb 00 40 00 00    cmp    rbx,0x4000
  40084e:   75 e0                   jne    400830 <main+0x20>
  400850:   31 c0                   xor    eax,eax
  400852:   48 81 c4 00 40 00 00    add    rsp,0x4000
  400859:   5b                      pop    rbx
  40085a:   c3                      ret    
  40085b:   0f 1f 44 00 00          nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]

另一方面，使用 GCC 5.3.1，没有优化，它编译速度非常快，但仍然生成 95328 大小的可执行文件。使用 -O2 编译将可执行文件大小减少到 53912，但编译时间需要 4 秒。我肯定会向他们的 bugzilla 报告这个。