C/C++关键字之restrict

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C/C++关键字之restrict

在C语言中，restrict关键字用于修饰指针(C99标准)。通过加上restrict关键字，编程者可提示编译器：在该指针的生命周期内，其指向的对象不会被别的指针所引用。

需要注意的是，在C++中，并无明确统一的标准支持restrict关键字。但是很多编译器实现了功能相同的关键字，例如gcc和clang中的__restrict关键字。

那么restrict关键字能给程序的实际运行带来哪些好处呢？下面举例说明

int add1(int* a, int* b)
{
    *a = 10;
    *b = 12;
    return *a + *b;
}

大家猜猜add1函数的返回值是多少？是10 + 12 = 22吗？

答案是不一定。在指针a和b的地址不同时，返回22没有问题。但是当指针a与b指向的是同一个int对象时，该对象先被赋值为10，后被赋值为12，因此a和b都返回12,因此add1函数最终返回24

使用-O3优化, add1对应的汇编代码如下。可以看到，在计算返回值时，为了得到*a的值访问了1次内存，而不管在何种条件下(a == b or a != b)，*b的值都是12。因此聪明的编译器将*a的值载入eax寄存器后，直接加上立即数12，而无需再访问内存获取*b的值。在无法确定指针a和b是否相同的情况下，编译器只能帮你到这里了.

0000000000400a10 <_Z4add1PiS_>:
  400a10:   c7 07 0a 00 00 00       movl   $0xa,(%rdi) ; *a = 10
  400a16:   c7 06 0c 00 00 00       movl   $0xc,(%rsi) ; *b = 10
  400a1c:   8b 07                   mov    (%rdi),%eax ; 结果 = *a
  400a1e:   83 c0 0c                add    $0xc,%eax   ; 结果 += 12 
  400a21:   c3                      retq  

但是如果加上了restrict关键字，情况便大不相同。C/C++和经过-O3优化的汇编代码如下。通过restrict关键字，编译器依然确认指针a和b不可能指向同一个内存地址，因此在求*a + *b时，无需访问内存，因为*a必然等于立即数10，*b必然等于立即数12。

int add2(int* __restrict  a, int* __restrict b) 
{
    *a = 10;
    *b = 12;
    return *a + *b ;
}

0000000000400a30 <_Z4add2PiS_>:
  400a30:   c7 07 0a 00 00 00       movl   $0xa,(%rdi) ; *a = 10
  400a36:   b8 16 00 00 00          mov    $0x16,%eax  ; 结果 = 22
  400a3b:   c7 06 0c 00 00 00       movl   $0xc,(%rsi) ; *b = 12
  400a41:   c3                      retq   

通过无restrict和有restrict两种情况下的汇编指令可看到，后者比前者少访问一次内存，且少执行一条指令。因此我们预期有restrict的版本能够获得可观的性能提升：

int main() 
{
    int * a = new int;
    int * b = new int;


    {
        std::chrono::steady_clock::time_point begin = std::chrono::steady_clock::now();
        for (size_t i=0; i<100000000; i++)
            add1(a, b);
        std::chrono::steady_clock::time_point end = std::chrono::steady_clock::now();
        std::cout << "Time difference = " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds> (end - begin).count() << "[ns]" << std::endl;
    }


 {
        std::chrono::steady_clock::time_point begin = std::chrono::steady_clock::now();
        for (size_t i=0; i<100000000; i++)
            add2(a, b);
        std::chrono::steady_clock::time_point end = std::chrono::steady_clock::now();
        std::cout << "Time difference = " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds> (end - begin).count() << "[ns]" << std::endl;
    }
    return 0;
}

以上代码分别执行add1和add2函数各一亿次，计算二者耗时，结果如下。

Time difference = 146[ns]
Time difference = 56[ns]

在这个case里，使用restrict能够获得2+倍的性能提升！注意使用restrict的时候，编程者必须确保不会出现pointer aliasing, 即同一块内存无法通过两个或以上的指针变量名访问。不满足这个条件而强行指定restrict, 将会出现undefined behavior

PS: 此篇文章有感于clickhouse近期一个与restrict有关的性能优化(https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/pull/19946)，只是因为在聚合相关的函数中加上restrict关键字，便能使聚合性能提升1.6倍！所以对于我辈码农来说，多了解一些底层原理永远不亏，说不定哪天你就用上了~

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