优化首先要合法：别名、溢出与浮点重排

优化不是把代码写得看起来更短

编译器优化必须保留语言合同要求的行为。把两次相同地址读取合并成一次，看似省事；但如果中间有写入，第二次值可能已经变化。优化前先问“哪些输入和执行是合法的”，再证明在这些前提下新旧程序等价，最后讨论收益。

例一函数先读p得到old，再通过q写入5，最后返回old加p当前值。若p和q指向同一个初始为2的对象，正确答案是2加5等于7；若错误地用第一次读取代替第二次，答案成为4。两条指针的类型和值关系，不应在没有依据时假定互不重叠。

别名信息为什么影响性能

Alias表示不同访问路径可能指向同一存储。编译器不能排除这种情况时，某些load消除、循环重排或vectorization需要更保守，或者生成运行期检查，选择安全的快速路径与通用路径。解决方法不是随便添加“不别名”承诺，而是让接口、数据组织和实际调用满足其要求。

int observe(int* p, int* q) {
    const int old = *p;
    *q = 5;
    return old + *p;
}
// 若 p==q，最后一次读取不能用old替换。

该例取值很小，不涉及算术溢出；它单独暴露内存依赖。好的优化测试会像这样一次隔离一个原因，而不是把别名、线程和浮点误差混在一个大程序里。

数学恒等式不自动适用所有类型

在无界整数数学中，x加一总大于x。但无符号整数按固定宽度模运算，最大值加一会回到零。例二使用uint32_t，普通值时比较为真，最大值时为假。Signed overflow在C++中是未定义行为，不能为了“验证溢出”直接运行有符号越界再把输出当可靠结果。

LLVM IR中的普通整数运算和带nsw、nuw标记的运算具有不同合同。额外标记是对允许执行的承诺，不是无条件加速开关。前端和优化pass只有在证明成立时才能引入；错误承诺可能让后续推导建立在错误前提上。

浮点重排也需要前提

浮点加法受有限精度与舍入影响，先把大正数与大负数相消，再加小数，可能与先把小数加到大数上不同。NaN、无穷、有符号零以及异常语义也可能影响变换是否合法。Fast-math一类选项允许更宽的假设，但使用者必须明确数值需求，不能只因为benchmark变快就默认接受。

对reduction尤其如此：树形合并改变结合顺序。应预先定义误差指标与非有限值处理，保留严格baseline，不把所有差异都叫bug，也不把任意差异都归为正常舍入。正确的讨论是某个变换在什么合同下被允许。

怎样验证一个优化假设

先列反例类别：指针重叠、不整除长度、零和边界值、非有限浮点、不同优化级别。接着检查优化remarks或IR变化，确认编译器究竟做了什么，再测目标负载。看到-O3比-O2慢也不矛盾，因为代码体积、寄存器压力、访存和分支行为都可能改变。

本章例子都在定义良好的小范围或无符号算术中运行，不靠触发UB产生戏剧化输出。面试时能说出一个具体合法性反例，并给出修正前提，比只列constant folding、CSE、loop unrolling的名字更能体现理解。

// Original CPU teaching model; not a device simulator or benchmark.
#include <iostream>
#include <stdexcept>

void require(bool ok) { if (!ok) throw std::runtime_error("model check failed"); }

int original(int* p,int* q){const int old=*p;*q=5;return old+*p;}
int cached(int* p,int* q){const int old=*p;*q=5;return old+old;}
int main() {
 int a=2,b=2;const int good=original(&a,&a),bad=cached(&b,&b);
 require(good==7 && bad==4);
 std::cout<<"original="<<good<<" cached="<<bad<<'\n';
}

clang++ -std=c++20 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror -pthread 46-a.cpp -o example && ./example

original=7 cached=4

// Original CPU teaching model; not a device simulator or benchmark.
#include <iostream>
#include <cstdint>
#include <limits>
#include <stdexcept>

void require(bool ok) { if (!ok) throw std::runtime_error("model check failed"); }

bool increases(std::uint32_t x) {
 const std::uint32_t next=x+std::uint32_t{1};return next>x;
}
int main() {
 const bool ordinary=increases(7),edge=increases(std::numeric_limits<std::uint32_t>::max());
 require(ordinary && !edge);
 std::cout<<"ordinary="<<ordinary<<" at_max="<<edge<<'\n';
}

clang++ -std=c++20 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror -pthread 46-b.cpp -o example && ./example

ordinary=1 at_max=0