编译器优化

优化的正确性约束只有一条：不能改变程序的可观察行为。本章讲局部优化、循环优化与过程间优化，以及未定义行为在其中的角色——它既是优化的许可证，也是 C 程序 bug 的温床。

优化的正确性

所有优化都要满足可观察行为等价：程序的可观察行为（输出、终止、读写外部可观察状态）不变。这正是"承诺不变、机制自由"（→ 从晶体管到应用：抽象层次）在编译器里的体现：语义是承诺，指令序列是机制。

约束的例外是未定义行为（UB）：标准不定义其后果，编译器可以假设它不发生。这既是优化的许可证（删除"不可能"的路径），也是 bug 的温床（见下文）。

局部优化

基本块内的改写，数据流分析（到达定义、活跃变量）驱动：

常量折叠：编译期算出常量表达式（2*3.14 → 6.28）；
常量传播：已知值为常量的变量直接代入；
公共子表达式消除（CSE）：相同表达式只算一次（SSA 下变成直接的问题，→ 编译流程）；
死代码消除：不影响输出的计算删除；
强度削减：贵的运算换便宜的（乘 2 的幂 → 移位）。

循环优化

循环是程序的热点，优化收益最大：

不变量外提（LICM）：循环内不变的计算移到循环外；
展开（unrolling）：减少循环控制开销、暴露指令级并行（→ 流水线、冒险与乱序执行）；
自动向量化：把标量循环改成 SIMD 指令（AVX 一次算 8 个 float）——前提是编译器能证明无依赖：别名未知的指针循环无法向量化；
循环交换与分块（tiling）：改变遍历顺序改善缓存局部性（→ 存储层次与缓存）——分块是 BLAS 一类线性代数库快的原因。

别名分析（alias analysis）限制了很多优化：两个指针可能指向同一内存时，编译器不敢重排读写。C 的 restrict 关键字是程序员的"承诺不别名"；Rust 的借用规则让编译器默认可证明（&mut 独占），这是它对优化的实际贡献。

过程间优化与内联

内联（inlining）：把被调函数展开到调用点。内联是其他优化的使能者——不内联，跨函数的常量传播、死代码、向量化都看不到机会。代价是代码膨胀（指令缓存压力）；现代编译器按"调用频率 × 受益 × 大小"启发式决定。
跨模块优化（LTO）：链接期做过程间优化，让内联跨过模块边界。

未定义行为：许可证与温床

C/C++ 的 UB（有符号溢出、越界、解引用空指针、移位过量）给编译器"假设不发生"的许可证：

int overflow_check(int x) {
    return x + 1 > x;        /* 编译器：有符号溢出是 UB，
                                所以 x+1 > x 恒真，优化成 return 1 ——
                                这个"溢出检查"被删掉了 */
}

if (p != NULL) *p = 1;       /* 解引用暗示 p 非空，
                                编译器可把判空删掉 */

未定义行为是编译器优化的许可证，也是 C 程序 bug 的温床。工程纪律：用 -fsanitize=undefined 在测试中捕获 UB；写 C 时明确假设；新项目考虑内存安全语言（→ 内存安全与常见漏洞）。

为什么 -O3 有时更慢

-O3 有时更慢的原因都有名字：

代码膨胀：激进展开与内联撑爆指令缓存（L1i 未命中的代价比省下的指令贵）；
向量化对齐：假设不对齐时插入额外代码；
别名假设：过于保守的优化白白增加检查；
编译期换运行期：PGO（基于剖析的优化）是解法——用真实 profile 指导内联与分支布局。

本章要点

优化的唯一约束：不改变可观察行为；UB 是"许可证"，也是 bug 温床
局部优化由数据流分析驱动；SSA 让 CSE 等变成直接的图问题
自动向量化与循环交换的前提是"能证明无依赖"；别名分析是主要限制
内联是其他优化的使能者；代价是指令缓存压力
-O3 有时更慢：代码膨胀、对齐假设、别名保守——用 PGO 与真实 profile 校准