如何在C语言中限制数组形参（不转为指针）？

动机 #

数组形参可能互为别名，编译器必须考虑这种情况，导致无法进行某些激进优化。比如下面的代码：

int foo(int a[10], int b[10]) {
    a[0] += b[0];
    return a[0] + b[0];
}

int bar(int *a, int *b) {
    a[0] += b[0];
    return a[0] + b[0];
}

int baz(int * __restrict a, int * __restrict b) {
    a[0] += b[0];
    return a[0] + b[0];
}

foo()的编译结果会和bar()类似——编译器必须假设a和b可能指向同一块内存，因此无法把return语句优化成2 * (a[0] + b[0])；而baz()因为用了restrict，编译器可以确定两个指针没有别名，会生成更高效的优化代码。

问题 #

我希望在函数中使用数组形参（甚至是多维数组，即用一对方括号声明、会退化为指向首元素的一级指针的类型），同时让编译器假设这些形参不存在别名，也就是给数组形参加上restrict限定。在C语言里该怎么实现？如果做不到，原因是什么？

解决方案 #

在C语言中，你没法直接给数组形式的形参（比如int a[10]）加restrict，但可以通过等价的指针声明来实现相同效果：

1. 一维数组场景 #

普通一维数组形参int a[10]在编译时会自动退化为int *a，直接给指针加上restrict即可：

int foo(int *restrict a, int *restrict b) {
    a[0] += b[0];
    return a[0] + b[0];
}

如果想保留数组长度的提示（仅作为文档，编译器不会强制检查这个长度），可以配合static关键字：

int foo(int *restrict a[static 10], int *restrict b[static 10]) {
    a[0] += b[0];
    return a[0] + b[0];
}

2. 多维数组场景 #

多维数组形参（比如int a[5][10]）会退化为指向一维数组的指针int (*a)[10]，给这个指针添加restrict就行：

int multi_foo(int (*restrict a)[10], int (*restrict b)[10]) {
    a[0][0] += b[0][0];
    return a[0][0] + b[0][0];
}

为什么不能直接给数组形参加restrict？ #

因为C标准规定restrict只能用来限定指针类型，而数组类型本身不属于指针类型。虽然函数中的数组形参会在编译时退化为指针，但数组声明的语法并不支持直接添加restrict限定符，强行编写会被编译器视为语法错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者einpoklum