优化为什么必须保留行为
复习
- 数据流分析：为优化提供“情报”
- 静态单赋值形式：让分析和优化更简单
- 中间表示：优化的载体
TL;DR
- 优化可以改写程序，但绝不能改变可观察的行为
- 这是优化的第一原则
- 常见被禁止的改动：改变结果、改变副作用顺序等
- 只有在“等价”的写法里挑更快的，才是安全的优化
正文
终于来到优化了。前面讲了那么多分析，就是为了这一刻：让程序跑得更快。
但在动手之前，必须先立下一条规矩，而且它是第一原则——优化可以改写法，但绝不能改变程序的行为。
什么叫“行为不变”
程序的行为，指的是它对外可观察的一切：
- 最终的输出结果
- 副作用的产生与顺序（比如打印、写文件、修改共享状态）
- 是否抛出异常、在哪一步抛出
一行代码哪怕“看起来毫无用处”，只要它有副作用，就不能随便删；一段计算哪怕“看起来可以重排”，只要改变了副作用顺序，就可能出事。优化器手里是一把刀，但只能切那些切了不影响的肉。
一个反例
举个常见的坑：浮点数加法不满足结合律。
数学上 (a + b) + c 等于 a + (b + c)，于是优化器可能想把它们重排以方便计算。但在浮点运算里，由于精度舍入，两种顺序的结果可能不同。如果语言规定必须按原顺序算，那么这种“重排”就会改变行为，是不允许的。
类似地，把一个“结果没人用”的函数调用删掉，如果这个调用内部有副作用（比如打印了一行字），删了就会改变行为。
先想清楚“等价”，再想“更快”
所以，优化的正确姿势是：
- 先判断两种写法是否等价（对所有合法输入，可观察行为都相同）
- 只有在等价的前提下，才选出更快的那种
“更快”永远排在“行为一致”之后。 一个变快却算错的程序，比一个慢但正确的程序糟糕得多——正确是底线，性能是加分项。
有了这条底线，接下来的各种优化，就可以放心地一条条来看了。
思考题 1
为什么说“优化可以改写法，但不能改行为”？
思考题 2
举一个“看起来能优化、其实会改变行为”的例子。
小结
知识点
- 行为指可观察的结果、副作用与异常
- 优化必须保持行为不变
- 有副作用的代码不能随意删除或重排
- 先判定等价，再选择更快的写法
参考资料
- Wikipedia(zh)：编译器优化：在保持语义的前提下改进程序
- Wikipedia(zh)：副作用 (计算机科学)：函数对外部状态的改变
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
因为优化只是让程序更高效，而不是改变它的含义。程序的输出、副作用和异常等可观察行为，必须与优化前一致，否则优化后的程序就不再是原来那个程序了，用户会得到错误结果。
思考题 2
例如把“结果没人用”的打印函数调用删掉——它看似没产出，却有输出这个副作用；再如重排浮点加减的顺序，可能因舍入导致结果变化。这些都“看起来能优化”，实则改变了行为。
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设计师 | 南国微雪