为何gfortran可深度优化递归斐波那契函数，而gcc却无法实现？

我在探索一个语言基准测试集时（已知这类测试存在严重局限性，本次不展开讨论），发现斐波那契基准测试的Fortran实现运行速度显著快于C版本。

C实现代码 #

int fibonacci(int n) {
  if (n == 0) return 0;
  if (n == 1) return 1;
  return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

Fortran实现代码 #

Fortran版本除语法细节外，逻辑和C版本完全一致：

recursive function fibonacci(n) result(f)
    integer(kind=4), intent(in) :: n
    integer(kind=4) :: f

    if (n == 0) then
        f = 0
    elseif (n == 1) then
        f = 1
    else
        f = fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)
    end if
end function fibonacci

优化效果对比 #

对比gcc v14.2与gfortran v14.2在-O3优化下生成的汇编代码可知，gfortran生成的代码大致等效于以下C实现（实际上它还消除了最终尾调用并转换为循环）：

int fibonacci(int n) {
  if (n == 0) return 0;
  if (n == 1) return 1;
  if (n == 2) return 1;
  if (n == 3) return 2;
  int a = fibonacci(n - 3);
  int b = fibonacci(n - 4);
  if (n == 4) return a + 2;
  a += b;
  int c = fibonacci(n - 5);
  b += c;
  a += b;
  if (n == 5) return b + 1;
  return a + b + c + fibonacci(n - 6);
}

这种优化让递归调用次数大幅减少：编译后的C版本计算第n个斐波那契数的复杂度为O(1.6180...^n)，而编译后的Fortran版本复杂度降至O(1.3803...^n)。

核心问题 #

我有以下疑问：

• 为何gfortran可以实现这类优化，而gcc却不行？（我假设二者的编译后端相同或相似）
• 是C标准的特性导致该优化在通用场景下不合法？还是仅仅是gcc尚未实现该功能？
• 是否有办法让gcc生成类似的优化代码？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Dylan