SBCL为何无法在编译时确定字符串的升级数组元素类型？

问题场景 #

在x86-64 Linux平台使用SBCL 2.4.0时，编译以下代码会收到优化警告：

(compile 
 nil 
 '(lambda (s)
    (declare (optimize (speed 3))
             (string s))
      (if (< 3 (length s))
        (char s 3))))

警告信息：无法优化(CHAR S 3)操作，原因是编译时未知数组的升级元素类型。

将参数声明改为simple-string后警告消失，但存在两个疑问：

1. 执行(upgraded-array-element-type 'character)返回character，为何编译时无法确定该类型？
2. 如何支持带填充指针的字符串且不损失优化效果？

为什么声明string时无法确定升级元素类型？ #

Common Lisp里的string是个宽泛的类型，涵盖了所有字符串变种：简单字符串（simple-string）、带填充指针的字符串、可调字符串等等。虽然upgraded-array-element-type 'character返回character，但SBCL的优化器需要明确知道字符串的实际内存布局——不同变种的结构不一样，比如带填充指针的字符串会多存一个填充指针字段，这会直接影响字符访问时的内存偏移计算。

只声明string的话，编译器没法确定传入的是哪种具体类型，也就没法生成最优的机器指令，所以抛出警告。而simple-string是固定布局的连续字符数组，编译器能直接计算偏移，不需要额外检查，自然能完成优化。

如何支持带填充指针的字符串且不损失优化？ #

有两种可行的解决方法：

• 显式声明具体类型：如果确定只会传入带填充指针的字符串，直接把参数声明改成(string-with-fill-pointer s)，编译器能识别其布局并优化字符访问。
• 用类型断言缩小范围：在函数内部添加类型断言，告诉编译器当前s的具体类型，比如：

(compile 
 nil 
 '(lambda (s)
    (declare (optimize (speed 3))
             (string s))
    (assert (typep s 'string-with-fill-pointer))
    (if (< 3 (length s))
      (char s 3))))

或者用the声明辅助优化：

(compile 
 nil 
 '(lambda (s)
    (declare (optimize (speed 3))
             (string s))
    (if (< 3 (length s))
      (char (the string-with-fill-pointer s) 3))))

这样编译器会基于断言后的具体类型生成优化代码，同时保留对带填充指针字符串的支持。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者nose26