C语言关键词restrict的应用

restrict是C99标准中新增的关键词，只能用于修饰指针（函数指针除外），其含义为：此指针是访问其指向对象的唯一初始方法。使用此关键词的意义在于：有助于编译器进行代码优化。

restrict是一个类型限定词，在C99标准(ISO/IEC 9899:1999)的”6.7.3.1 Formal definition of restrict”中给出其定义，基本语法为xxx * restrict var，其中xxx是指针指向的变量类型。需要注意的是，只有指向所谓”object types”的指针才能用restrict修饰，而”object types”的定义应该是除了函数指针外所有类型的指针。另外，对于函数参数来说，由于数组和指针的等价性，函数参数为数组时也可以用restrict修饰，此时restrict放在[]中，如：void fun(int par[restrict])。

上面也说到，使用restrict的意义在于便于编译器优化，此处使用restrict最常用的一个例子进行说明：

int foo(int * a, int * b) {
    *a = 5;
    *b = 6;
    return *a + *b;
}

int rfoo(int * restrict a, int * restrict b) {
    *a = 5;
    *b = 6;
    return *a + *b;
}

对于foo函数，编译器是不能假设a和b指向的区域是不同的，它们有可能指向同一内存区域，故此时编译得到的汇编代码为：

movl	4(%esp), %eax
movl	8(%esp), %edx
movl	$5, (%eax)
movl	$6, (%edx)
movl	(%eax), %eax
addl	$6, %eax
ret

可以看到，在进行最后一步加法运算前，需要再读一遍*a的值，以保证结果的正确性，因为若a==b的话，此时*a == 6而不是*a == 5；此时这段程序返回的是12而不是11。

然而，我们如果能确保a != b，那以上代码是可以进一步优化的，restrict关键词就用于把这一信息提供给编译器，此时的rfoo函数编译结果如下：

movl	4(%esp), %eax
movl	$5, (%eax)
movl	8(%esp), %eax
movl	$6, (%eax)
movl	$11, %eax
ret

这段代码中直接返回了编译器预先计算出来的结果11，与foo相比减少了一次加法运算，且不需要进行movl (%eax), %eax这一步骤。（虽然由于Cache的存在，这一指令也不一定会进行内存访问）

以上汇编代码使用GCC 4.9.3编译得到，编译参数为：-O3 -S -std=gnu11，结果和参考资料中给出的汇编代码稍有区别，不知为何参数传递使用的是栈而不是寄存器……

从以上例子中可以看到，若一个指针是访问某内存区域的唯一方法，那可以为其加上restrict限定符，这有利于编译器进行代码优化生成效率更高的程序。

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参考资料：
restrict type qualifier
如何理解C语言关键字restrict？
C99中的restrict关键字