Restrict关键字

0 定义

C99中新增加的用于修饰指针的关键字，用于表示该指针所指向的内存，只有通过该指针访问得到（如下ptr指向的内存单元只能通过ptr访问得到）。从而可以让编译器对代码进行优化，生成更有效率的汇编代码。

char *restrict ptr;

1 优化举例

       举例1，如下代码（引自参考1），以及翻译成汇编之后的代码。

#include <stdio.h>

#ifdefRES

void multi_add(int* restrict p1, int* restrict p2, int* restrict pi)

#else

void multi_add(int* p1, int* p2, int* pi)

#endif

{

  *p1+= *pi;

  *p2+= *pi;

}

int main()

{

  int a =1, b = 2;

  int inc =1;

  // increase both aand b by 1

  multi_add(&a,&b, &inc);

 

  // print the result

  printf("a= %d, b = %d\n", a, b);

}

       调用mulit_add函数时，翻译成汇编后的代码，如果是没有RES，则是

mov(%rdx),%eax

add%eax, (%rdi)

mov(%rdx),%eax

add%eax, (%rsi)

       相反如果有RES定义，则是

mov(%rdx),%eax

add %eax,(%rdi)

add %eax,(%rsi)

       因为pi是由restrict关键字修饰的，所以认为pi所指向的内存只可能通过pi访问，不可能其它 alias能访问到。所以没有必要每次都mov操作。

       举例2

int ar[10];

int *restrict restar =(int *)malloc(10* sizeof(int));

int *par =ar;

for (n =0; n< 10; n++)

{

  par[n]+= 5;

  restar[n]+= 5;

  ar[n]*= 2;

  par[n]+= 3;

  restar[n]+= 3;

}

       同样由于restar 是用restrict修饰的，所以编译器会优化成restar[n] += 8;

       其实优化的本质上就是使用了一系列这寄存器，而传统架构上的使用Cache(可以参见https://www.zhihu.com/question/41653775)。

2 使用举例

       用restrict修饰的指针，最多的是用来作为参数、memcpy中的src和dst就是使用restrict修改的，所以个人总结出来的用途主要在于copy操作过程中，不用每个字节每个字节去取址计算操作，而是直接page操作的可能。大大提升了性能。

3 注意点

       首先，有可能反汇编后的代码，并不能达到遇期的优化效果，这是因为gcc中指定的优化等级不对，或者根本没有指定优化等级。所以为了让编译器识别并优化restrict关键字，必须编译时指定优化等级。如在1中的举例，如果multi_add(&a,&b,&a);调用，那么在不同等级优化下的效果，如下表所示。

优化等级	最终值	原因
不优化	a = 2; b = 4;	Gcc在没有开-O优化时是不会对restrict关键字优化
-O1	A=2;b=3;	restrict关键字的优化
-O2及以上	a=2;b=4;	Multi_add函数不再被main调用

       然后，restrict关键字，不仅是告诉编译器优化代码，而且还对使用者（程序员）提出了要求，即必须保证restrict指针指向的内存，只能通过该指针访问。（记住这点是要求程序员的，编译器无法识别出报warning之类的信息）。因此，如下的代码，都可能是有问题的。

float x[100];

float *c;

void f(int n, float *restrict a, float *const b){

  int i;

  for (i =0; i < n; i++)

    a[i]= b[i]+ c[i];

}

void g3(void){

  float d[100],e[100];

  c =x; f(100,d, e);// OK

  f(50,d, d +50); // OK

  f(99,d + 1, d);// undefined behavior

  c =d; f(99,d + 1, e);// undefined behavior

  f(99,e, d +1); //

       最后，restrict的指针不能赋值给另一个restrict的指针，如下。但是，restrict的指针可以赋值给一个非restrict的指针。

int* restrict p1 =&a;

int* restrict p2 =&b;

p1 =p2; //undefined behavio

void f(int n, float *restrict r, float *restrict s){

  float *p = r,*q = s; //OK

  while (n--> 0) *p++ = *q++;// almost certainly optimized just like *r++= *s++

}  

4 参考文献

[0] http://blog.youkuaiyun.com/nathan_wz/article/details/8274451

[1] http://en.cppreference.com/w/c/language/restrict