如何在不引入额外MOV指令的前提下实现C++ volatile的同等效果？

问题根因 #

你遇到的是编译器死代码消除优化导致的问题：编译器在开启高优化等级时，判定循环内v的计算、甚至insert_into_map调用没有可见的副作用，直接将整个循环逻辑消除，最终导致map没有被插入任何数据。
你用volatile修饰v的方案确实能阻止优化，但会强制每次v的读写都走内存，产生大量多余的MOV指令，性能损失很大。

可用解决方案（无额外运行时开销） #

以下方案都只会在编译期阻止优化，不会生成任何额外的CPU指令，性能和原生汇编实现一致。

• 方案1：使用无开销的优化阻止宏
  针对GCC/Clang和MSVC分别实现编译期标记宏，告诉编译器v的值已经被外部逻辑依赖，不能消除对v的计算：

  #if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__) || defined(__clang__)
  #define KEEP_VALUE(x) asm volatile("" : "+g"(x) : : "memory")
  #elif defined(_MSC_VER)
  #define KEEP_VALUE(x) do { _ReadWriteBarrier(); } while(0)
  #endif
  

  只需要在你每次计算完v的位置调用这个宏即可：

  v = (v + b) - a;
  KEEP_VALUE(v);
  

  这个方案完全不会改变v的计算逻辑，也不会强制v走内存，编译器还是会把v放在寄存器中运算，没有额外性能损耗。

• 方案2：给时间函数加不可优化标记
  给some_time_function加上不允许内联、不允许过程间优化的标记，让编译器无法获知这个函数的实现逻辑，自然就无法对rdtscp调用和后续的map插入操作做消除优化：

  #if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__) || defined(__clang__)
  __attribute__((noinline, noipa))
  #elif defined(_MSC_VER)
  __declspec(noinline)
  #endif
  uint64_t some_time_function() {
    unsigned int waste;
    return __rdtscp(&waste);
  };
  

  配合方案1使用可以完全阻止编译器对时间统计逻辑的优化。

• 方案3：插入编译期内存屏障
  如果不需要对单个变量做标记，可以直接在需要阻止优化重排的位置插入编译器内存屏障，告诉编译器不能把屏障前后的内存操作、运算逻辑重排或者消除：

  #if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__) || defined(__clang__)
  #define COMPILER_BARRIER() asm volatile("" ::: "memory")
  #elif defined(_MSC_VER)
  #define COMPILER_BARRIER() _ReadWriteBarrier()
  #endif
  

  放在rdtscp调用和v计算的前后，防止编译器把时间统计和运算逻辑重排：

  uint64_t t0 = some_time_function();
  COMPILER_BARRIER();
  v = (v + b) - a;
  COMPILER_BARRIER();
  uint64_t t1 = some_time_function();
  

额外优化建议 #

如果你的场景只需要统计每次运算的耗时，不需要存储所有的耗时结果，可以考虑提前预分配存储结构（比如用std::vector代替std::map），减少插入操作的额外开销，进一步提升性能。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Xaymar