为什么C++编译器不优化对结构数据成员的读取和写入，而不是不同的局部变量？

我正在尝试创建一些 POD 值的本地数组(例如double) 使用编译时已知的固定max_size，然后读取运行时size值 (size <= max_size) 并首先处理该数组中的size元素。

问题是，当arr和size放入同一个struct/class中时，为什么编译器不消除堆栈读写，而不是arr和size是独立的局部变量的情况？

这是我的代码：

#include <cstddef>
constexpr std::size_t max_size = 64;
extern void process_value(double& ref_value);
void test_distinct_array_and_size(std::size_t size)
{
double arr[max_size];
std::size_t arr_size = size;
for (std::size_t i = 0; i < arr_size; ++i)
process_value(arr[i]);
}
void test_array_and_size_in_local_struct(std::size_t size)
{
struct
{
double arr[max_size];
std::size_t size;
} array_wrapper;
array_wrapper.size = size;
for (std::size_t i = 0; i < array_wrapper.size; ++i)
process_value(array_wrapper.arr[i]);
}

使用 -O3 从 Clangtest_distinct_array_and_size的程序集输出：

test_distinct_array_and_size(unsigned long): # @test_distinct_array_and_size(unsigned long)
push r14
push rbx
sub rsp, 520
mov r14, rdi
test r14, r14
je .LBB0_3
mov rbx, rsp
.LBB0_2: # =>This Inner Loop Header: Depth=1
mov rdi, rbx
call process_value(double&)
add rbx, 8
dec r14
jne .LBB0_2
.LBB0_3:
add rsp, 520
pop rbx
pop r14
ret

test_array_and_size_in_local_struct的组件输出：

test_array_and_size_in_local_struct(unsigned long): # @test_array_and_size_in_local_struct(unsigned long)
push r14
push rbx
sub rsp, 520
mov qword ptr [rsp + 512], rdi
test rdi, rdi
je .LBB1_3
mov r14, rsp
xor ebx, ebx
.LBB1_2: # =>This Inner Loop Header: Depth=1
mov rdi, r14
call process_value(double&)
inc rbx
add r14, 8
cmp rbx, qword ptr [rsp + 512]
jb .LBB1_2
.LBB1_3:
add rsp, 520
pop rbx
pop r14
ret

最新的 GCC 和 MSVC 编译器对堆栈读取和写入执行基本相同的操作。

正如我们所看到的，在后一种情况下，对堆栈上array_wrapper.size变量的读取和写入并没有被优化掉。在循环开始之前，size值写入位置[rsp + 512]，并在每次迭代后从该位置读取。

因此，编译器有点期望我们想要从process_value(array_wrapper.arr[i])调用中修改array_wrapper.size(通过获取当前数组元素的地址并对其应用一些奇怪的偏移量？

但是，如果我们试图从那个调用中这样做，那不是未定义的行为吗？

当我们以下列方式重写循环时

for (std::size_t i = 0, sz = array_wrapper.size; i < sz; ++i)
process_value(array_wrapper.arr[i]);

，每次迭代结束时那些不必要的读取都将消失。但是对[rsp + 512]的初始写入将保留，这意味着编译器仍然希望我们能够从这些process_value调用(通过执行一些奇怪的基于偏移量的魔法)访问该位置的array_wrapper.size变量。

为什么？

这是否只是现代编译器实现中的一个小缺点(希望很快就会修复)？或者C++标准是否确实需要这样的行为，每当我们将数组及其大小放入同一类时，都会生成效率较低的代码？

附言

我意识到我上面的代码示例似乎有点做作。但请考虑一下：我想在我的代码中使用一个轻量级boost::container::static_vector类模板，以便使用 POD 元素的伪动态数组进行更安全、更方便的"C++ 式"操作。所以我的PODVector将包含同一个类中的一个数组和一个size_t：

template<typename T, std::size_t MaxSize>
class PODVector
{
static_assert(std::is_pod<T>::value, "T must be a POD type");
private:
T _data[MaxSize];
std::size_t _size = 0;
public:
using iterator = T *;
public:
static constexpr std::size_t capacity() noexcept
{
return MaxSize;
}
constexpr PODVector() noexcept = default;
explicit constexpr PODVector(std::size_t initial_size)
: _size(initial_size)
{
assert(initial_size <= capacity());
}
constexpr std::size_t size() const noexcept
{
return _size;
}
constexpr void resize(std::size_t new_size)
{
assert(new_size <= capacity());
_size = new_size;
}
constexpr iterator begin() noexcept
{
return _data;
}
constexpr iterator end() noexcept
{
return _data + _size;
}
constexpr T & operator[](std::size_t position)
{
assert(position < _size);
return _data[position];
}
};

用法：

void test_pod_vector(std::size_t size)
{
PODVector<double, max_size> arr(size);
for (double& val : arr)
process_value(val);
}

如果上述问题确实是由C++的标准强制的(并且不是编译器编写者的错)，那么这种PODVector将永远不会像数组和大小的"不相关"变量的原始使用那样有效。这对于C++作为一种想要零开销抽象的语言来说是非常糟糕的。