GCC针对ARM Cortex-M4优化全局变量的规则咨询

问题背景 #

使用gcc-arm-none-eabi-8-2019-q3-update/bin/arm-none-eabi-gcc编译ARM Cortex-M4平台代码，优化等级为-Os时，发现同一全局变量在不同函数中的优化行为存在差异：

• foo1()中全局变量仅被加载一次，导致循环无法退出
• foo2()中每次循环都会重新加载全局变量，循环可正常退出

已知添加volatile关键字可避免此优化，现解析背后的GCC优化规则。

测试代码 #

foo.c #

int g_global_cnt = 0;

void dummy_func(void);

void global_cnt_add(void)
{
    g_global_cnt++;
}

int foo1(void)
{
    while (g_global_cnt == 0) {
        // do nothing
    }

    return 0;
}

int foo2(void)
{
    while (g_global_cnt == 0) {
        dummy_func();
    }

    return 0;
}

bar.c #

void dummy_func(void)
{
    // do nothing
}

注：foo1()、foo2()在任务A中调用，global_cnt_add()在任务B中调用。

汇编代码对比 #

foo1的汇编 #

int foo1(void)
{
    while (g_global_cnt == 0) {
  201218:   4b02        ldr r3, [pc, #8]    ; (201224 <foo1+0xc>)
  20121a:   681b        ldr r3, [r3, #0]
  20121c:   b903        cbnz    r3, 201220 <foo1+0x8>
  20121e:   e7fe        b.n 20121e <foo1+0x6>
        // do nothing
    }

    return 0;
}
  201220:   2000        movs    r0, #0
  201222:   4770        bx  lr
  201224:   00204290    .word   0x00204290

foo2的汇编 #

int foo2(void)
{
  201228:   b510        push    {r4, lr}
    while (g_global_cnt == 0) {
  20122a:   4c04        ldr r4, [pc, #16]   ; (20123c <foo2+0x14>)
  20122c:   6823        ldr r3, [r4, #0]
  20122e:   b10b        cbz r3, 201234 <foo2+0xc>
        dummy_func();
    }

    return 0;
}
  201230:   2000        movs    r0, #0
  201232:   bd10        pop {r4, pc}
        dummy_func();
  201234:   f1ff fcb8   bl  400ba8 <dummy_func>
  201238:   e7f8        b.n 20122c <foo2+0x4>
  20123a:   bf00        nop
  20123c:   00204290    .word   0x00204290

优化规则解析 #

GCC的优化逻辑基于程序可见行为一致性，核心规则如下：

• 对于foo1()的空循环：编译时GCC分析到循环体内没有任何可能修改g_global_cnt的操作（无函数调用、无volatile访问），因此会将全局变量的值缓存到寄存器中，仅在循环开始时从内存加载一次。后续循环直接检查寄存器值，不会再读取内存，导致任务B修改内存中的g_global_cnt后，任务A无法感知，陷入死循环。
• 对于foo2()的循环：循环体内调用了跨编译单元的dummy_func()，由于编译foo.c时无法看到dummy_func()的实现，GCC会默认假设该函数可能修改任何全局变量（包括g_global_cnt）。因此每次循环都会强制从内存重新加载g_global_cnt的值进行检查，确保能感知到其他任务对该变量的修改，循环可正常退出。
• volatile关键字的作用：当变量被声明为volatile时，会告诉编译器该变量可能被当前程序流之外的因素（如其他任务、中断）修改，因此必须每次都从内存读取其值，禁止寄存器缓存，从而避免上述优化导致的问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ivan