为什么数组访问和指针算术与完全优化不等效？

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为什么这段代码不产生相同的程序集？(g++ -O3) 我对汇编知之甚少，但似乎情况 2 访问的指令较少，所以应该首选，对吗？我问这个是因为我想用返回一个指针的访问运算符来实现一个包装类int* p = a[i]（所以访问是a[i][j]，而不是a[i*3+j]），但不知道它是否值得。感谢您的任何帮助。

#include <iostream>

int main() {
    
    int a[9];
    int i, j, k;

    // Case 1
    std::cin >> i >> j >> k;
    *(a + i*3 + j) = k;

    std::cin >> i >> j >> k;
    (&a[i*3])[j] = k;

    std::cin >> i >> j >> k;
    *((&a[i*3])+j) = k;

    // Case 2
    std::cin >> i >> j >> k;
    a[i*3 + j] = k;

    std::cout << a[0];

    return 0;
}

https://godbolt.org/z/13arxcPqz

编辑：为了完整起见，这种a向右移动的更改与情况 2 中的完全相同，因为 operator+ 现在关联到左。

// Case 2 again
std::cin >> i >> j >> k;
        *(i*3 + j + a) = k;

https://godbolt.org/z/x89453aK4

回答

表达式*(a + i*3 + j)和a[i*3 + j]在 C++ 级别不等价。由于二进制+从左到右关联，前者等价于*((a + i*3) + j)而后者等价于*(a + (i*3 + j))。例如，如果总和i*3 + j会溢出，它们会产生不同的结果int。

举一个具体的例子，考虑一个 32 位的 64 位机器，int比如你的 x86-64 系统，假设我们有i == 600'000'000和j == 2'000'000'000。假设，而不是长度为 9 的数组，它a指向 64 位上的一个非常大的数组。第一个表达式添加1'800'000'000然后2'000'000'000到a，产生a+3'800'000'000. 第二个1'800'000'000+2'000'000'000首先添加，它溢出并导致未定义的行为。在某些编译器上，行为可能是“环绕”，产生a+(-494'967'296)一个完全不同的地址，与另一个地址相距 16 GB。

生成的程序集反映了这种区别。在第二种情况下，加法i*3 + j是作为普通的 32 位加法完成的，这会在溢出时回绕。由于j在内存中，一旦我们进入i寄存器，我们就可以使用普通add r32, m32指令进行加法。但在第一种情况下，i*3 + j必须作为 64 位加法完成以产生正确的指针算术。所以j在添加之前必须符号扩展到 64 位，这不能在单个内存源添加指令中完成。相反，我们首先使用带符号扩展的寄存器movsx r64, m32加载j，然后add r64, r64进行 64 位加法。这解释了为什么需要额外的指令。

这两个“应该首选”中的哪一个与效率无关，而更多的是关于您的代码是否可以使用会溢出的参数调用，以及您希望在这种情况下发生什么。在优化之前担心正确的行为。

只是为了突出我正在谈论的代码：在问题中链接的 asm 代码的*(a + i*3 + j) = k;第 12-13 和 16-20 行执行：

        mov     eax, DWORD PTR [rsp+4]        ; eax = i, zero-extend
        movsx   rdx, DWORD PTR [rsp+8]        ; rdx = (int64_t)j, sign-extend to 64 bits
        ;;; lea     rsi, [rsp+4]              ; unrelated, set up args for next cin
        ;;; mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt3cin ; unrelated, set up args for next cin
        lea     eax, [rax+rax*2]              ; eax = i*3, still 32 bits
        cdqe                                  ; rax = (int64_t)i*3, sign-extended
        add     rax, rdx                      ; rax = (int64_t)(i*3) + (int64_t)j
        mov     edx, DWORD PTR [rsp+12]       ; edx = k
        mov     DWORD PTR [rsp+16+rax*4], edx ; perform the store

那么接下来两个版本(&a[i*3])[j] = k;（28-29和30-36）和*((&a[i*3])+j) = k;（44-45和48-52）的代码是一样的；这些也对应于两个“指针加索引”步骤，从不进行int加法。

而a[i*3 + j] = k;在第 60-65 行：

        mov     eax, DWORD PTR [rsp+4]        ; eax = i
        mov     edx, DWORD PTR [rsp+12]       ; edx = k
        lea     eax, [rax+rax*2]              ; eax *= 3
        add     eax, DWORD PTR [rsp+8]        ; eax += j (32 bit add!)
        cdqe                                  ; rax = (int64_t)(i*3+j)
        mov     DWORD PTR [rsp+16+rax*4], edx ; do the store

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THE END
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