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what is "thwart tail-call optimization".md

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问题

在阅读CoreFoundation开源代码时，有c函数:

static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(void (*perform)(void *), void *info)
{
    if (perform)
    {
        perform(info);
    }
    asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization
}

这是Runloop在对版本0类型的source进行回调的函数，实现较简单,即安全地调用perform. 但是最后一句代码

asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization

的用意何在，百思不解。注释的意思是:"阻止尾部调用优化".

并且，其他几个函数:

static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__() __attribute__((noinline));

在函数尾部均有asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization

何为尾部调用优化?

找到了一个文章片段，来自阮一峰老师的ES6教程,讲的是javascript,但是其中关于尾部调用优化的描述应该是语言无关的.

一探究竟

回到__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__,为了弄清楚:编译器究竟会怎么进行"尾部调用优化"?,优化和不优化的区别是什么?，带着疑惑进行如下操作：

  1. 将__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__函数声明以及实现复制到一个demo工程并粘贴到main.m

  2. 将xcode DEBUG优化选项设置为-O2 (开了优化才能看到究竟会怎样优化), 将arm64架构去掉(arm32汇编比arm64汇编易懂)

  3. 调用__CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__

例子如下:

static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(void (*perform)(void *), void *info)
{
    if (perform)
    {
        perform(info);
    }
    asm __volatile__(""); // thwart tail-call optimization
}

static void my_perform0(void *p) __attribute__((noinline));
static void my_perform0(void *p) {
    NSLog(@"%s", __FUNCTION__);
}

static void my_perform1(void *p) __attribute__((noinline));
static void my_perform1(void *p) {
    NSLog(@"%s", __FUNCTION__);
}

static void my_perform2(void *p) __attribute__((noinline));
static void my_perform2(void *p) {
    NSLog(@"%s", __FUNCTION__);
}

int main(int argc, char * argv[])
{
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(my_perform0, "aaa");
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(my_perform1, "bbb");
    __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__(my_perform2, "ccc");
    
    return 0;
 }

生成app，拖进反汇编工具Hopper，得到___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__实现如下

             ___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__:
0000c1a8         mov        r2, r0;arm32汇编调用约定里R0装有第一个参数，R1第二个，R2第三个，R3第四个，其余放在栈空间
0000c1aa         cbz        r2, loc_c1b8;if R2 == 0 jump to loc_c1b8, 即如果perform为NULL，跳到loc_c1b8,否则继续下一条指令

0000c1ac         push       {r7, lr};保护R7,LR
0000c1ae         mov        r7, sp;R7 = SP,建立栈帧
0000c1b0         mov        r0, r1;R0 = R1 = 第二个参数 = info
0000c1b2         blx        r2;子程序调用，地址在R2，即调用perform, 相当于bx perform 
0000c1b4         pop.w      {r7, lr};恢复R7,LR

             loc_c1b8:
0000c1b8         bx         lr;lr装有本次调用的返回地址，bx lr就是 return

调用栈截图:

Image

然后，注释掉asm __volatile__("");

再次生成，得到___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__:

             ___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__:
0000c1b0         mov        r2, r0
0000c1b2         cmp        r2, #0x0
0000c1b4         it
0000c1b6         bx         lr;如果R2( = R0 = 第一个参数 = perform) == NULL则 return
                        ; endp
0000c1b8         mov        r0, r1
0000c1ba         bx         r2;直接跳转到perform函数入口，参数为R0(= R1 = info),相当于bx perform

此时调用栈截图:

Image

神奇的事情发生了，在注释了asm __volatile__("");(进行过尾部调用优化)的版本里，调试器调用栈里是没有___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__的。换句话说，在被优化的版本里，调试器是获取不到 ___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__的栈帧的。

由此引出了一个问题:"获取函数调用栈的原理是什么?",找了篇资料，是linux平台的，但是原理却是说得清晰的:

http://blog.csdn.net/study_live/article/details/43274271

总结说来，每个函数要建立自己的“栈帧”，才会在获取调用栈的时候被识别到。

而在ARM32下，R7正是用作禎指针(BP), 那么怎么算建立了栈帧呢，其实就是这两条指令:

push       {r7, lr}；//保存上一级的栈帧
mov        r7, sp;//建立自己的栈帧

“这样就算建立起栈帧了？”，深入研究一下刚刚提到的这篇文章，就会理解了。

回到原例子继续分析， ___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__进行分析:

当通过asm __volatile__("");阻止了尾部调用优化后,生成的汇编代码中，调用perform的方式是 :

push       {r7, lr};
mov        r7, sp;
mov        r0, r1;
blx        r2; 
pop.w      {r7, lr};

进入perform前，___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__栈帧已经建立，所以在调试器里，可以识别出perform的上一级函数是:___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__

反之，去掉asm __volatile__("");，编译器对___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__进行了优化，导致在___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__里，不再建立调用栈帧，而是直接跳转到perform入口地址，在perform里“看来”，此时的上一级栈帧，跟___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__毫无关系，在此例中在perform“看来”,它的上一级调用函数应该是"main"。因此此时从调试器里是看不到___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__的。

GET到一个重点

asm __volatile__("");放在函数尾部，使函数"结尾不是函数调用"，确实阻止了编译器对___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__进行尾部调用优化，而这种优化会导致在调试器调用栈里看不到___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__函数。但是，这种优化是不影响程序功能的，因为它还是更简洁正确地跳转到了perform。但是如果不阻止，是一定会被优化的，因为苹果发布出来的库，肯定是Relase版本的，Release版本默认的优化级别很高。

可以猜测，苹果之所以将这些函数命名的如此特殊便于识别:

static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE1_PERFORM_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_BLOCK__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_TIMER_CALLBACK_FUNCTION__() __attribute__((noinline));
static void __CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_AN_OBSERVER_CALLBACK_FUNCTION__() __attribute__((noinline));

并且将其强制"noinline"，又阻止编译器进行”尾部调用优化“,有很大的原因是为了在其他模块，或app，在与Runloop模块交互的时候，整个调用路径“看起来/调试起来”更加清晰分明。

总结

如果不加asm __volatile__("");来阻止尾部调用优化，在调用者的调试器调用栈里将看不到___CFRUNLOOP_IS_CALLING_OUT_TO_A_SOURCE0_PERFORM_FUNCTION__.