理解编译器无法优化的情况

在本节中，我们将讨论编译器无法应用上一节所述某些优化技术的不同场景。理解编译器何时无法优化，有助于我们编写能够避免这些失败的 C++ 代码，从而让编译器生成高度优化、高效的机器代码。

跨模块优化失败

当编译器编译整个程序时，它是按文件逐个模块独立编译的，因此无法获取当前正在编译的模块之外的函数信息。这限制了跨模块的函数优化能力，导致很多优化技术无法应用，因为编译器无法理解整个程序的上下文。

现代编译器通过 LTO（链接时优化，Link Time Optimization） 解决这一问题：在各模块独立编译后，链接器会将这些模块视作同一个编译单元，从而启用我们之前讲过的各种优化。因此，在需要优化整个应用程序时，启用 LTO 是非常重要的。

动态内存分配

我们已经知道，动态内存分配在运行时速度较慢，还会引入不可预测的延迟。但它还有一个副作用 —— 指针别名（pointer aliasing）。

动态分配的内存块常常导致编译器无法确认多个指针是否指向不同、不重叠的内存区域，哪怕对程序员来说看起来显而易见。这限制了依赖内存对齐或不重叠访问假设的各种优化。

相比之下，局部变量和局部声明 更能被频繁复用，在调用新函数或创建局部对象时更易被缓存，因此更加高效。而动态分配的内存可能随机散布在内存中，缓存性能更差。

指针别名（Pointer Aliasing）

当通过指针或引用访问变量时，即使程序员知道它们指向不同的内存位置，编译器也不能保证这一点。换句话说，编译器无法确定指针是否指向同一个变量或有重叠的内存区域。

因为必须假设有重叠的可能性，很多优化技术就不能安全地应用。

应对指针别名的建议：

1. 在函数声明中使用 __restrict 关键字修饰指针，告诉编译器这些指针不会别名（即互不重叠）。

2. 如需进一步优化，应在了解指针别名影响的前提下手动优化代码路径。

3. 最后，可以告诉编译器整个程序都不发生指针别名（通过编译选项），但这是非常危险的做法，应作为最后手段。

浮点归纳变量

对于浮点表达式，编译器通常不会使用归纳变量优化，因为浮点数存在舍入误差和精度问题。这会阻碍对浮点数相关计算的优化。

虽然可以开启不安全的浮点数优化编译选项，但开发者需要确保这些优化不会引发精度问题或副作用。这并非易事，因此建议开发者亲自对浮点表达式进行优化，或深入分析优化带来的副作用。

虚函数与函数指针

对于虚函数和函数指针，编译器无法在编译阶段确定将调用哪个函数，因此不能进行相应优化。

我们之前提到的 去虚化（Devirtualization） 技术可以解决一部分问题，例如当某个虚函数只有唯一的派生类实现，或对象类型在编译时可确定时。但大多数情况下，虚函数和函数指针仍然限制了优化的可能性。