C++ `__builtin_unreachable`：告诉编译器代码不可达，进行激进优化

好的，让我们来聊聊C++里那个神奇的“__builtin_unreachable”。这玩意儿就像你在代码里放了个“此处绝不可能发生”的标签，然后编译器就像打了鸡血一样，开始各种激进优化。

开场白：听说你代码里有“BUG”？不，是“特性”！

各位观众，大家好！今天我们来聊点刺激的，聊聊C++里一个能让编译器“脑洞大开”的函数：__builtin_unreachable。别害怕，我说的“脑洞大开”不是指编译器会突然开始写诗，而是指它会更丧心病狂地优化你的代码。

想象一下，你写了一段代码，逻辑上某些分支是永远不可能执行到的。你可能觉得无所谓，反正代码能跑就行。但是，编译器可不这么想！它兢兢业业地分析你的代码，发现那些“死代码”的存在，却无可奈何，因为它不能确定你的逻辑是否真的永远正确，万一哪天你手滑改错了呢？

这时候，__builtin_unreachable 就派上用场了。你相当于告诉编译器：“老兄，相信我，这段代码绝对不可能被执行到！如果执行到了，算我输！” 编译器一听，乐了：“好嘞！既然你这么说了，那我就放开手脚优化了！”

__builtin_unreachable 是个啥？

简单来说，__builtin_unreachable 是一个编译器内建函数（built-in function），它的作用是告诉编译器，程序执行流永远不会到达调用它的地方。它本质上是一个断言，但和 assert 不同的是，__builtin_unreachable 在任何编译模式下（包括 Release 模式）都会生效，并且不会产生任何运行时检查。assert只在debug模式起作用。

使用场景：让编译器“大胆”一点！

那么，什么情况下我们会用到 __builtin_unreachable 呢？主要有以下几种情况：

switch 语句的 default 分支： 如果你确定 switch 语句已经覆盖了所有可能的取值，default 分支永远不会被执行，就可以在 default 分支中使用 __builtin_unreachable。
不可能到达的 else 分支： 如果 if 语句的条件已经覆盖了所有情况，else 分支永远不会被执行，也可以使用 __builtin_unreachable。
已知永远不会返回的函数： 如果某个函数的设计目标就是永远不会返回（比如，程序出错时直接退出），可以在函数末尾使用 __builtin_unreachable。

代码演示：见证奇迹的时刻！

光说不练假把式，我们来看几个具体的例子。

例子1：switch 语句

#include <iostream>

enum class Color {
  RED,
  GREEN,
  BLUE
};

const char* getColorName(Color color) {
  switch (color) {
    case Color::RED:
      return "Red";
    case Color::GREEN:
      return "Green";
    case Color::BLUE:
      return "Blue";
    default:
      __builtin_unreachable(); // 编译器：嗯，这里绝对不可能发生！
  }
}

int main() {
  std::cout << getColorName(Color::RED) << std::endl;
  std::cout << getColorName(Color::GREEN) << std::endl;
  std::cout << getColorName(Color::BLUE) << std::endl;
  //std::cout << getColorName(static_cast<Color>(4)) << std::endl; // 如果取消注释，未定义行为
  return 0;
}

在这个例子中，getColorName 函数的 switch 语句覆盖了 Color 枚举的所有可能取值。因此，default 分支永远不会被执行到。我们在 default 分支中使用 __builtin_unreachable 告诉编译器这一点。

优化效果： 编译器可能会直接移除 default 分支的代码，甚至可能会对整个 switch 语句进行更激进的优化，例如将 switch 语句转换为查表操作。

例子2：if-else 语句

#include <iostream>

int processValue(int value) {
  if (value > 0) {
    return value * 2;
  } else if (value < 0) {
    return value / 2;
  } else {
    // 如果 value 不是正数也不是负数，那它一定是 0
    if (value == 0) {
      return 0;
    } else {
      __builtin_unreachable(); // 编译器：这绝对不可能！
    }
  }
}

int main() {
  std::cout << processValue(10) << std::endl;
  std::cout << processValue(-10) << std::endl;
  std::cout << processValue(0) << std::endl;
  return 0;
}

在这个例子中，if-else 语句已经覆盖了 value 的所有可能取值（大于 0，小于 0，等于 0）。因此，else 分支内部的 else 分支永远不会被执行到。我们在那里使用 __builtin_unreachable 告诉编译器。

优化效果： 编译器可能会直接移除内部 else 分支的代码，简化整个 if-else 语句的逻辑。

例子3：永远不会返回的函数

#include <iostream>
#include <cstdlib>

void fatalError(const char* message) {
  std::cerr << "Fatal error: " << message << std::endl;
  std::abort(); // 终止程序
  __builtin_unreachable(); // 编译器：放心，我永远不会执行到这里！
}

int main() {
  if (/* 一些错误条件 */ false) {
    fatalError("Something went wrong!");
  }
  std::cout << "Program continues..." << std::endl; // 如果 fatalError 被调用，这行代码不会执行
  return 0;
}

在这个例子中，fatalError 函数的作用是输出错误信息并终止程序。它永远不会返回。我们在函数末尾使用 __builtin_unreachable 告诉编译器这一点。

优化效果： 编译器可能会移除 fatalError 函数调用之后的代码，因为它知道这些代码永远不会被执行到。这可以避免一些不必要的代码生成。

__builtin_unreachable 的风险：玩火需谨慎！

__builtin_unreachable 虽然强大，但使用不当可能会导致严重的问题。如果你错误地使用了 __builtin_unreachable，导致程序执行流到达了本不应该到达的地方，那么程序的行为将是未定义的（Undefined Behavior）。这意味着你的程序可能会崩溃、产生错误的结果，或者做出任何不可预测的事情。

Undefined Behavior 的恐怖之处：

Undefined Behavior 是 C++ 中最可怕的概念之一。它意味着编译器可以对你的代码做任何事情，包括但不限于：

直接崩溃程序
产生错误的结果
删除部分代码
修改程序的行为
甚至让你的电脑变成僵尸网络的一部分（开玩笑的，但后果真的很严重！）

正确使用 __builtin_unreachable 的姿势：

为了避免 Undefined Behavior，在使用 __builtin_unreachable 时，务必确保以下几点：

仔细检查你的逻辑： 确保你真的理解你的代码，并且确定 __builtin_unreachable 所在的代码块永远不会被执行到。
编写单元测试： 针对包含 __builtin_unreachable 的代码编写充分的单元测试，以验证你的假设是否正确。
使用静态分析工具： 静态分析工具可以帮助你检测代码中的潜在错误，包括 __builtin_unreachable 的误用。
不要滥用： 只在必要的时候才使用 __builtin_unreachable。不要为了追求微小的性能提升而冒险。

__builtin_unreachable 与 assert 的区别：

很多同学可能会把 __builtin_unreachable 和 assert 混淆。它们都是用来表示某种断言，但它们之间有几个关键的区别：

特性	`__builtin_unreachable`	`assert`
生效范围	所有编译模式 (Debug/Release)	Debug 模式
运行时检查	无	有 (Debug 模式)
错误处理	Undefined Behavior	中断程序 (Debug 模式)
使用目的	优化代码	调试代码
对性能的影响	可能提高性能	可能降低 Debug 模式下的性能

总结：用好 __builtin_unreachable，让你的代码飞起来！

__builtin_unreachable 是一个强大的工具，可以帮助编译器更好地优化你的代码。但它也是一把双刃剑，使用不当可能会导致严重的后果。因此，在使用 __builtin_unreachable 时，务必小心谨慎，确保你的代码逻辑是正确的。

记住，代码优化不是玄学，而是建立在严谨的逻辑和充分的测试之上的。不要盲目追求性能，而忽略了代码的可读性和可维护性。

最后的温馨提示：

在使用 __builtin_unreachable 之前，请仔细阅读编译器的文档，了解其具体的行为和限制。
如果你不确定是否应该使用 __builtin_unreachable，最好不要使用它。
永远不要相信你的直觉，一定要用测试来验证你的假设。

好了，今天的分享就到这里。希望大家能够掌握 __builtin_unreachable 的正确使用姿势，写出更高效、更可靠的代码！感谢大家的观看！

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