Uso realista da palavra-chave 'restringir' C99?

Eu estava navegando através de alguma documentação e perguntas / respostas e vi isso mencionado. Eu li uma breve descrição, afirmando que seria basicamente uma promessa do programador de que o ponteiro não será usado para apontar para outro lugar.

Alguém pode oferecer alguns casos realistas em que vale a pena usá-lo?

restrictdiz que o ponteiro é a única coisa que acessa o objeto subjacente. Elimina o potencial de aliasing de ponteiro, permitindo uma melhor otimização pelo compilador.

Por exemplo, suponha que eu tenha uma máquina com instruções especializadas que possam multiplicar vetores de números na memória e que possua o seguinte código:

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

O compilador precisa manipular adequadamente se dest, src1e se src2sobrepõe, o que significa que deve fazer uma multiplicação por vez, do início ao fim. Por isso restrict, o compilador pode otimizar esse código usando as instruções do vetor.

A Wikipedia tem uma entrada aqui restrict, com outro exemplo, aqui .

O exemplo da Wikipedia é muito esclarecedor.

Mostra claramente como permite salvar uma instrução de montagem .

Sem restrição:

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

Pseudo montagem:

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

Com restringir:

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

Pseudo montagem:

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

O GCC realmente faz isso?

GCC 4.8 Linux x86-64:

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

Com -O0, eles são os mesmos.

Com -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) 

Para os não iniciados, a convenção de chamada é:

• rdi = primeiro parâmetro
• rsi = segundo parâmetro
• rdx = terceiro parâmetro

A saída do GCC foi ainda mais clara que o artigo da wiki: 4 instruções vs 3 instruções.

Matrizes

Até o momento, temos economia de instruções únicas, mas se o ponteiro representar matrizes a serem repetidas, um caso de uso comum, várias instruções podem ser salvas, como mencionado pelo supercat .

Considere, por exemplo:

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

Por causa disso restrict, um compilador inteligente (ou humano) pode otimizar isso para:

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

que é potencialmente muito mais eficiente, pois pode ser otimizado para montagem em uma implementação decente da libc (como glibc): É melhor usar std :: memcpy () ou std :: copy () em termos de desempenho?

O GCC realmente faz isso?

GCC 5.2.1.Linux x86-64 Ubuntu 15.10:

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

Com -O0, ambos são iguais.

Com -O3:

• com restringir:

  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

  Duas memsetchamadas conforme o esperado.

• sem restrição: sem chamadas stdlib, apenas um loop de 16 iterações que eu não pretendo reproduzir aqui :-)

Não tive paciência para compará-los, mas acredito que a versão restrita será mais rápida.

C99

Vejamos o padrão por uma questão de integridade.

restrictdiz que dois ponteiros não podem apontar para regiões de memória sobrepostas. O uso mais comum é para argumentos de função.

Isso restringe como a função pode ser chamada, mas permite mais otimizações em tempo de compilação.

Se o chamador não seguir o restrictcontrato, comportamento indefinido.

O projeto C99 N1256 6.7.3 / 7 "Qualificadores de tipo" diz:

O uso pretendido do qualificador restrito (como a classe de armazenamento de registro) é promover a otimização e excluir todas as instâncias do qualificador de todas as unidades de conversão de pré-processamento que compõem um programa em conformidade não altera seu significado (ou seja, comportamento observável).

e 6.7.3.1 "Definição formal de restrição" fornece detalhes sangrentos.

Regra estrita de alias

A restrictpalavra-chave afeta apenas ponteiros de tipos compatíveis (por exemplo, dois int*) porque as regras estritas de aliasing dizem que o aliasing de tipos incompatíveis é um comportamento indefinido por padrão, e assim os compiladores podem assumir que isso não acontece e otimizar.

Veja: Qual é a regra estrita de alias?

Veja também

• O C ++ 14 ainda não possui um análogo restrict, mas o GCC possui __restrict__uma extensão: o que a palavra-chave restringir significa em C ++?
• Muitas perguntas que fazem: de acordo com os detalhes sangrentos, isso codifica UB ou não?
  • Entendendo o qualificador restrito por exemplos
  • Perguntas sobre ponteiros restritos
  • É legal atribuir um ponteiro restrito a outro ponteiro e usar o segundo ponteiro para modificar o valor?
• Uma pergunta "quando usar": quando usar restringir e quando não
• O GCC relacionado __attribute__((malloc)), que diz que o valor de retorno de uma função não tem alias para nada: GCC: __attribute __ ((malloc))