如何理解C語言關鍵字restrict？

01-05

對教材上的解釋不是很理解。這個關鍵字的作用是什麼，以及在什麼情況下使用？

要理解 restrict，先要知道什麼是 Pointer aliasing。

Pointer aliasing 是指兩個或以上的指針指向同一數據，例如

int i = 0; int *a = i; int *b = i;

這樣會有什麼問題呢？

如果編譯器採用最安全的假設，即不理會兩個指針會否指向同一數據，那麼通過指針讀寫數據是很直觀的。

然而，這種假設會令編譯器無法優化，例如：

int foo(int *a, int *b) { *a = 5; *b = 6; return *a + *b; // 不一定是 11！ }

如果 a 和 b 都指向同一數據，*b = 6 會導致 *a = 6，返回12。所以編譯器在做 *a + *b 的時候，需要重新讀取 *a 指向的數據：

foo: movl $5, (%rdi) # 存儲 5 至 *a movl $6, (%rsi) # 存儲 6 至 *b movl (%rdi), %eax # 重新讀取 *a （因為有可能被上一行指令造成改變） addl $6, %eax # 加上 6 ret

如果我們確保兩個指針不指向同一數據，就可以用 restrict 修飾指針類型：

int rfoo(int *restrict a, int *restrict b) { *a = 5; *b = 6; return *a + *b; }

編譯器就可以根據這個信息，做出優化：

rfoo: movl $11, %eax # 在編譯期已計算出 11 movl $5, (%rdi) # 存儲 5 至 *a movl $6, (%rsi) # 存儲 6 至 *b ret

但如果用了 restrict 去修飾兩個指針，而它們在作用域內又指向同一地址，那麼是未定義行為。

總括而言，restrict 是為了告訴編譯器額外信息（兩個指針不指向同一數據），從而生成更優化的機器碼。注意，編譯器是無法自行在編譯期檢測兩個指針是否 alias。如使用 restrict，程序員也要遵守契約才能得出正確的代碼（指針不能指向相同數據）。

以個人經驗而言，編寫代碼時通常會忽略 pointer aliasing 的問題。更常見是在性能剖測時，通過反編譯看到很多冗餘的讀取指令，才會想到加入 restrict 關鍵字來提升性能。

本答案的例子來自restrict type qualifier。

從cache說起。機械硬碟操作太慢，操作系統就利用內存做硬碟內容的cache。內存太慢，CPU就提供了多級cache，一級二級三級。

如果我想榨乾最後一點性能怎麼辦？拿寄存器做cache。我本來要對內存讀10次，但是如果這10次讀取都是讀同一個值的話，不妨用一個寄存器cache起來，省去了額外的內存讀取。

可是我不知道內存里的東西什麼時候變啊。如果別人修改了內存，我怎麼知道寄存器里的值已經是舊的了呢？

這裡對「別人」這個詞做點解釋。由於歷史原因，現在的C或C++編譯器編譯一個函數的時候，是把本函數看作「自己」，把其餘所有函數看作「別人」的。所以哪怕是在自己這個函數里調用了另一個全局函數，也算是調用了「別人」的代碼，發生了什麼幾乎一概不知，也就不敢保證內存哪些地方被動過，哪些地方沒動過。

restrict的定義是 ( restrict type qualifier )：

During each execution of a block in which a restricted pointer P is declared (typically each execution of a function body in which P is a function parameter), if some object that is accessible through P (directly or indirectly) is modified, by any means, then all accesses to that object (both reads and writes) in that block must occur through P (directly or indirectly), otherwise the behavior is undefined.

現在程序員用restrict修飾一個指針，意思就是「只要這個指針活著，我保證這個指針獨享這片內存，沒有『別人』可以修改這個指針指向的這片內存，所有修改都得通過這個指針來」。由於這個指針的生命周期是已知的，編譯器可以放心大膽地把這片內存中前若干位元組用寄存器cache起來。

如果不管不顧由於歷史原因而沿襲的C/C++編譯模型（object file + linker），做暴力的whole program analysis 或者 LTO 的話，restrict的提供的信息多半能推導出十之七八，但是應該做不到完美。靜態檢查嘛，perfectly sound，perfectly complete和always halt最多三選二。