C++ 中的尾调用优化TCO:原理、实战与汇编分析

C++尾调用优化

尾调用优化(Tail Call Optimization, 简称 TCO)是现代编译器中一项重要的优化技术,它能在某些条件下避免函数调用时的栈增长,从而减少运行时内存开销,提高程序性能。

本文回答了以下几个问题:

  1. 什么是尾调用?
  2. 尾调用和尾递归的区别?
  3. 为什么尾调用优化可以提高效率?
  4. 如何判断编译器是否做了尾调用优化?

【一句话】

函数调用有栈增长的开销,尾调用优化省去了函数调用入栈的开销。

什么是尾调用?

描述

尾调用是指:一个函数在"最后一步"调用另一个函数,并将其返回值直接返回。

【补充】

无返回值函数最后调用函数也可能做尾调用优化

如果函数A是无返回值,只要函数A在最后调用函数B,最后指的是调用函数B后没有其他操作,那编译器也是有可能会做尾调用优化的

因为尾调用的关键在于函数A调用函数B后,还需不需要用到函数A中的信息,如果不需要再用了,那么也就没有了将函数A相关信息入栈的必要 ,也就能直接复用当前的栈帧了。

例子

cpp 复制代码
int foo(int x) {
    return bar(x);  // ← 这是一个尾调用
}
void foo_(int x) {
    bar(x);  // ← 这也是一个尾调用
}

关键特征(写法)

调用另一个函数之后,不再进行其他操作,直接返回。

尾调用和尾递归的区别?

尾递归就是尾调用中最后一个函数是调用自己,形成递归。
尾递归优化,编译器实际上可能把递归函数转换为循环实现。

cpp 复制代码
// 原始尾递归
int sum(int n, int acc = 0) {
    if (n == 0) return acc;
    return sum(n - 1, acc + n); // 尾递归调用
}

// 优化后(编译器可能转为循环)
int sum(int n, int acc = 0) {
    while (n > 0) {
        acc += n;
        n--;
    }
    return acc;
}

为什么尾调用优化可以提高效率?

通常的递归调用:

每调用一次函数,就在栈上分配一个新栈帧来保存局部变量和返回地址。

尾调用优化:

编译器可以直接复用当前栈帧来执行下一个函数调用,避免了栈帧的增长。

为什么栈帧复用就可以提高效率

首先我们需要明白函数调用时发生了什么,知道了栈帧生成的开销,才能知道为什么栈帧复用可以提高效率。

函数调用和尾调用优化避免的开销

栈空间分配

每次函数调用,系统都会为该调用分配一个新的栈帧(stack frame),用来保存局部变量、返回地址、参数、寄存器状态等信息。函数返回时,这个栈帧会被销毁。

【尾调用优化】

译器做了尾调用优化,就可以复用当前函数的栈帧,直接跳转到被调用函数,而不再分配新的栈帧。这样就避免了频繁分配和释放栈帧的开销。

栈帧入栈

栈空间分配后,需要把栈帧压入栈中,而在递归调用时,很容易出现深度过大导致的栈溢出。

【尾调用优化】

尾调用优化通过复用栈帧,使得递归调用不再增加栈深度,相当于变成了循环,极大降低了栈空间需求。

内存访问与缓存

栈帧的分配和释放涉及内存操作,虽然CPU有多级缓存,但频繁的内存访问仍然影响性能。

【尾调用优化】

栈帧频繁分配释放会带来内存操作,增加缓存失效风险,复用栈帧则降低了内存访问压力,有助于提升CPU缓存命中率,进一步提升性能。

如何判断编译器是否做了尾调用优化?

我们可以通过查看生成的汇编代码来判断是否进行了优化。

生成汇编的方法可以看看我的这篇博客C++中switch-case的性能优化策略详解

代码示例

cpp 复制代码
int bar(int x) {
    return x * 2156 + 15484;
}

int foo(int x) {
    x++;
    return bar(x * 5); 
}

x86-64 gcc 编译,不开启优化

asm 复制代码
"_Z3bari":
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        imul    eax, eax, 2156
        add     eax, 15484
        pop     rbp
        ret
"_Z3fooi":
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 8
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        add     DWORD PTR [rbp-4], 1
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     eax, edx
        sal     eax, 2
        add     eax, edx
        mov     edi, eax
        call    "_Z3bari"  ; 注意在没有开启优化的情况下,是直接通过call指令调用函数,而这就会涉及到上一节讲的函数调用的开销。
        leave
        ret

开启-O2优化后

【注意】

这里有一点要提及,编译器有可能会做内联优化,这是另一种优化手段,但是本文想讨论的是尾调用优化,在函数体过于简单的情况下(例如本文提供的案例),编译器更倾向于使用内联优化,因此为了避免内联优化,我们必须对函数做一点修改,变成以下的样式,来明确规定不允许内联。

cpp 复制代码
// 增加__attribute__((noinline)) 明确告知编译器不用内联【注意,这个标记是GCC和Clang支持的,MSVC或者其他编译器可能有不一样的标记】
__attribute__((noinline)) int bar(int x) {
 return x * 2156 + 15484;
}

int foo(int x) {
 x++;
 return bar(x * 5);  // 这是一个"尾调用"!
}
asm 复制代码
"_Z3bari":
        imul    eax, edi, 2156
        add     eax, 15484
        ret
"_Z3fooi":
        lea     edi, [rdi+5+rdi*4]
        jmp     "_Z3bari" ; 直接跳转而非 call ⇒ 没有新栈帧产生

使用了jmp而不是call,说明这里栈帧复用,TCO 生效。

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