非volatile全局变量在含函数调用的循环中为何每次从内存加载？

原始C代码 #

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

bool flag;

static void foo(int a, int b)
{
    printf("why\n");
    return;
}

int main()
{
    while (!flag) {
        foo(10, 11);
    }

    return 0;
}

编译与反汇编命令 #

使用以下命令编译代码：

aarch64-linux-gnu-gcc -O2 t.c

再通过以下命令生成反汇编代码：

aarch64-linux-gnu-objdump -Sdf a.out > t

反汇编结果（main函数部分） #

55 0000000000400460 <main>:
 56   400460:   a9be7bfd    stp x29, x30, [sp, #-32]!
 57   400464:   910003fd    mov x29, sp
 58   400468:   f9000bf3    str x19, [sp, #16]
 59   40046c:   b0000093    adrp    x19, 411000 <__libc_start_main@GLIBC_2.17>
 60   400470:   3940c660    ldrb    w0, [x19, #49]
 61   400474:   35000140    cbnz    w0, 40049c <main+0x3c>
 62   400478:   f9000fb4    str x20, [x29, #24]
 63   40047c:   9100c673    add x19, x19, #0x31
 64   400480:   90000014    adrp    x20, 400000 <_init-0x3e8>
 65   400484:   91198294    add x20, x20, #0x660
 66   400488:   aa1403e0    mov x0, x20
 67   40048c:   97fffff1    bl  400450 <puts@plt>
 68   400490:   39400260    ldrb    w0, [x19]
 69   400494:   34ffffa0    cbz w0, 400488 <main+0x28>
 70   400498:   f9400fb4    ldr x20, [x29, #24]
 71   40049c:   52800000    mov w0, #0x0                    // #0
 72   4004a0:   f9400bf3    ldr x19, [sp, #16]
 73   4004a4:   a8c27bfd    ldp x29, x30, [sp], #32
 74   4004a8:   d65f03c0    ret

疑问 #

为何第68行总是从内存加载flag？它并非volatile类型，按预期应该仅从内存加载一次后从寄存器读取。若移除C代码第16行（循环内无函数调用），则只会从内存加载一次flag。似乎是循环中的函数调用导致了这种现象，恳请对此作出解释。

解释 #

这是编译器优化的保守性规则导致的，核心原因如下：

• 全局变量的不确定性：flag是全局变量，作用域覆盖整个程序。编译器在做-O2级别的优化时，无法确定被调用的foo函数是否会修改这个全局变量——哪怕foo的代码里看起来没有修改flag，但编译器不会默认排除这种可能（比如foo可能通过指针间接修改flag，或者后续代码变更会影响当前编译单元）。
• 正确性优先的优化策略：为了保证程序行为的正确性，编译器会保守地假设任何函数调用都可能修改全局变量。因此每次从foo返回后，必须重新从内存读取flag的值，而不能依赖之前存在寄存器里的副本——如果不这么做，一旦foo真的修改了flag，循环就无法感知到变化，导致逻辑错误。
• 无函数调用时的优化：当循环内没有函数调用时，编译器能明确看到这段代码里没有任何修改flag的操作，因此可以安全地将flag的值加载到寄存器一次，之后循环里直接用寄存器的值判断，这是符合优化规则的。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Leslie Li