为何编译器无法优化掉对const参数的内存访问？

核心背景 #

编译器不能假设通过const reference传递的参数不会被修改——函数可能通过const_cast获取非const引用，但如果原始对象本身是const的，这种修改属于未定义行为。cppreference明确指出：

通过非const访问路径修改const对象，以及通过非volatile泛左值引用volatile对象，会导致undefined behavior。

案例1：基础int类型的优化差异 #

测试代码 #

void fun(const int&);

int f1() {
    const int i = 3;
    fun(i);
    return i;
}

static int bar(const int i) {
    fun(i);
    return i;
}

int f2() {
    return bar(3);
}

编译器优化结果 #

GCC和Clang都能将f1()优化为直接返回3——因为编译器判定fun(i)若修改i会触发未定义行为，所以可以安全假设i的值不变。但两者都无法对f2()做相同优化，仍会从内存加载返回值。

GCC生成的汇编代码：

f1():
        subq    $24, %rsp
        leaq    12(%rsp), %rdi
        movl    $3, 12(%rsp)
        call    fun(int const&)
        movl    $3, %eax  ! <-- 直接返回3
        addq    $24, %rsp
        ret
f2():
        subq    $24, %rsp
        leaq    12(%rsp), %rdi
        movl    $3, 12(%rsp)
        call    fun(int const&)
        movl    12(%rsp), %eax ! <-- 从内存加载返回值
        addq    $24, %rsp
        ret

疑问点 #

虽然C++标准不强制要求这类优化，但理论上编译器内联bar(3)到f2()后，应该能推断出fun(i)不会修改i，完全可以将f2()也优化为直接返回3，生成更高效的代码。

案例2：类类型的编译器优化分歧 #

测试代码 #

struct A {
    int i;
};

void fun(const A&);

int f3() {
    const A a{3};
    fun(a);
    return a.i;
}

编译器优化结果 #

Clang仍能将f3()优化为直接返回3，但GCC选择从内存加载返回值：

GCC生成的汇编：

f3():
        subq    $24, %rsp
        leaq    12(%rsp), %rdi
        movl    $3, 12(%rsp)
        call    fun(A const&)
        movl    12(%rsp), %eax  ! <-- 从内存加载返回值
        addq    $24, %rsp
        ret

Clang生成的汇编：

f3():
        pushq   %rax
        movl    $3, (%rsp)
        movq    %rsp, %rdi
        callq   fun(A const&)@PLT
        movl    $3, %eax  ! <-- 直接返回3
        popq    %rcx
        retq

疑问点 #

为什么GCC不对该函数做直接返回3的优化？是因为GCC认为从内存加载和直接返回常量的效率相当吗？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Pluto