如何减少或消除__tls_init次来电？

Question

我正在使用依赖于 thread_local 的第三方库。这导致我的程序重复调用 __tls_init()，即使在某些循环的每次迭代中（我没有检查所有循环），尽管 thread_local 变量已被同一个早先的另一个调用无条件初始化函数（事实上，在整个程序的开始附近）。

我的 x86_64 上 __tls_init() 中的第一条指令是

cmpb    [=11=], %fs:__tls_guard@tpoff
je      .L530
ret
.L530:
pushq   %rbp
pushq   %rbx
subq    (some stack space), %rsp
movb    , %fs:__tls_guard@tpoff

所以第一次为每个线程调用时，%fs:__tls_guard@tpoff 处的值设置为 1 并立即进一步调用 return。但是，这仍然意味着每次要访问 thread_local 变量时 call 的所有开销，对吧？

请注意，这是一个静态链接（实际上是生成的！）函数，因此编译器 "knows" 它以这种情况开始，完全可以想象，流分析发现没有必要调用这个功能不止一次。但事实并非如此。

是否有可能摆脱多余的 call __tls_init 指令，或者至少阻止编译器在时间关键部分发出它们？

实际编译示例情况： (-O3)

pushq   %r13
movq    %rdi, %r13
pushq   %r12
pushq   %rbp
pushq   %rbx
movq    %rsi, %rbx
subq    , %rsp
call    __tls_init              // always gets called
movq    (%rbx), %rdi
call    <some local function>
movq    8(%rax), %r12
subq    (%rax), %r12
movq    %rax, %rbp
sarq    , %r12
cmpq    , %r12
jbe .L6512
leaq    -2(%r12), %rax
movq    [=12=], (%rsp)
leaq    48(%rsp), %rbx
movq    %rax, 8(%rsp)
.L6506:
call    __tls_init              // needless and called potentially very many times!
movq    %rsp, %rsi
movq    %rsp, %rdi
addq    , %rbx
call    <some other local function>
movq    %rax, -8(%rbx)
leaq    80(%rsp), %rax
cmpq    %rbx, %rax
jne .L6506                      // cycle

Update：上面的源代码过于复杂。这是一个 MWE：

void external(int);

struct X {
  volatile int a;   // to prevent optimizing to a constexpr
  X() { a = 5; }    // to enforce calling a c-tor for thread_local
  void f() { external(a); } // to prevent disregarding the value of a
};

thread_local X x;

void f() {
  x.f();
  for(int j = 0; j < 10; j++)
    x.f();  // x is totally initialized now
}

如果您在 Compiler Explorer (link to this particular example) 中看到使用最大优化设置进行的分析，您会注意到在每次重复中都冗余地检查 fs:__tls_guard@tpoff 与 0 的相同现象循环 在将 1 放在那里 之后，即在标签 .L4 中（假设输出将保持不变），即使 __tls_init 内联在这个超级中简单案例.

虽然这个问题是关于 G++ 的，但 CLang (see in Compiler Explorer) 使这个问题更加明显。

在这个例子中可以说外部函数调用可以覆盖存储的值。但那能保证什么呢？如果是这样，它也可能不尊重调用约定。在这些方面，编译器只需要假设它会很好地发挥作用。此外，我上面的主要代码中没有外部函数，只有一个翻译单元，只是相当大（在像 MWE 这样的小例子中，编译器将检测并删除无关的测试，表明它一定是可能的）。

Answer 1

我不知道是否有任何编译器选项可以消除 tls 调用，但是您的特定代码可以通过在函数中使用指向 TLS 对象的指针来优化：

void f() {
  auto ptr = &x;
  ptr->f();
  for(int j = 0; j < 10; j++)
    ptr->f(); 
}

如何减少或消除__tls_init次来电？

How to reduce or eliminate __tls_init calls?

optimization

g++

internal

thread-local-storage