浅析 restrict 关键字

一眨眼，入职已经三个月了。感谢同事们的帮助与指导，有幸顺利转正。接下来，就是要好好吃饭，好好码代码，好好写文章了。

今天在阅读 ESP-IDF 的源码时，碰到了一个不太熟悉的特性 restrict 。我只知道它是 C 中的一个关键字（啥？你连看都没看过？哈哈～），它的特性便一无所知了。于是研究一二，记录于此。

碰到一个不熟悉的关键字应该怎么办？当然是查一下 Primer Plus 啦！可是正好手边没有这本书，所以我就百度了一下，下面是百度的信息：

restrict，C语言中的一种类型限定符（Type Qualifiers），用于告诉编译器，对象已经被指针所引用，不能通过除该指针外所有其他直接或间接的方式修改该对象的内容。

字面的意思是：该对象只能通过某一指针对其进行操作，除此之外不会对其进行修改。可是，这有什么用呢？再读一遍，我就注意到了一个关键词编译器，看到这三个字我下意识地就想到了编译器优化。那么最直接的方法就是做对比实验了。

首先，写一段常见的测试代码：

#include <stdio.h>int add(int *a, int *b)
{*a = 1;*b = 2;return *a + *b;
}int main(void)
{int sum;int num_1;int num_2;sum = add(&num_1, num_2);printf("The sum is %d.\n", sum);return 0;
}

不用编译运行也知道，输出的结果是 3 。

那么再来看一下 restrict 版本吧：

#include <stdio.h>int add(int *restrict a, int *restrict b)    // THIS LINE CHANGED
{*a = 1;*b = 2;return *a + *b;
}int main(void)
{int sum;int num_1;int num_2;sum = add(&num_1, num_2);printf("The sum is %d.\n", sum);return 0;
}

接下来，我们编译运行一下，观察输出结果：

% gcc -o test test.c
% ./test
The sum is 3.
%

什么？加不加 restrict 没区别？哦！！！这可能与编译器优化有关，我是不是应该打开编译器优化选项啊？！

于是，我便添加了编译器优化选项 -O1 。但是，两个程序段的输出并没有变化。

正当我一筹莫展的时候，我突然想到了汇编。一个程序的执行效率如何，不能光看执行结果，还需要落实到汇编代码上。于是，我使用 gcc -O1 -S test.c 执行两个程序段的汇编，将得到的部分汇编代码（add() 部分）比较如下。

/* WITHOUT restrict */
addmov  w8, #1str   w8, [x0]mov w8, #2str   w8, [x1]ldr w8, [x0]add w0, w8, #2ret/* WITH restrict */
addmov  w8, #1str   w8, [x0]mov w8, #2str   w8, [x1]mov w0, #3ret

可以看到，加了 restrict 后，虽然运行结果不变，但汇编指令减少了 1 条。接下来，我们将逐条分析该程序段的汇编指令。

首先，两个程序段的前四条汇编指令都是相同，具体分析见注释：

addmov   w8, #1     // *a = 1str    w8, [x0]mov w8, #2     // *b = 2str    w8, [x1]

在处理返回值时，不加 restrict 的处理为：

    ldr  w8, [x0]      /* [1] */add  w0, w8, #2    /* [2] */

[1] ：取 *a 的值；
[2] ：加上 2 后返回。

再来看一下我们的返回语句：return *a + *b;

那么问题出现了：为什么取 *a 的值是去相应的地址取值，而取 *b 的值却直接用数字 2 代替呢？

这个问题暂时留在这，我们接着看加了 restrict 的处理：

    mov  w0, #3    /* [1] */

[1] ：直接返回 3 。

看到这里，聪明的你一定大概理解了 restrict 的作用了！

原来：

加了 restrict 后，表明指针变量 a 与 b 是修改其指向对象的唯一途径。那么在对 a 和 b 指向的对象赋值后，没有其他对其操作的语句了，所以编译器很自信地认为它们的值就是自己刚才写进去的值，不可能会变。而刚才写的值编译器自己太清楚了，当编译器看到最后一条返回语句时，心想：咋还要我加一遍呢？不就是一个 1 和一个 2 嘛，和不就是 3 嘛～

当没加 restrict 时，在对 a 和 b 指向的对象赋值后，编译器看到返回语句，心想：我刚刚写入的 b 对象是 2 没错，但 a 对象还是 1 吗？有可能 a 和 b 存在着某种联系呢，那我写入 b 时岂不是有可能对 a 产生影响？算了算了，还是别偷懒了，再去 a 地址看看到底是多少吧…

看到这，你应该完全理解了吧！
在加了 restrict 以后，编译器直到别的地方不会对其产生影响，所以自己写入的值是多少，它就一定不会变。但没加 restrict 时，编译器不能确定别的地方是不是会修改改值，所以只能老老实实地去相应的地址查看了。

好的，就此落笔。希望对你有一点点帮助，这是我最大的心愿。
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谢谢。

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