C末尾呼び出しの最適化
Cは末尾呼び出しの除去を実行しないとよく言われます。規格では保証されていませんが、とにかくまともな実装で実際に実行されているのではないでしょうか。成熟した、適切に実装されたコンパイラのみを対象とし、あいまいなプラットフォーム用に作成されたプリミティブコンパイラへの絶対的な最大移植性を気にしないと仮定すると、Cで末尾呼び出しの除去に依存するのは合理的ですか？
また、末尾呼び出しの最適化を標準から除外する理由は何でしたか？
「Cは末尾呼び出しの除去を実行しません」のようなステートメントは意味がありません。あなたが正しくあなた自身に注意したように、このようなことは完全に実装に依存します。もちろん、適切な実装であれば、末尾再帰を簡単にサイクルに変えることができます。もちろん、Cコンパイラーは通常、特定の各コードでどの最適化が行われ、どの最適化が行われないかについては保証しません。あなたはそれをコンパイルして自分の目で確かめなければなりません。
最新のコンパイラは、最適化をオンにすると末尾呼び出しの最適化を実行できますが、デバッグビルドはおそらくそれなしで実行されるため、スタックトレースを取得したり、コードにステップイン/ステップアウトしたりできます。この状況では、末尾呼び出しの最適化は望ましくありません。
末尾呼び出しの最適化は必ずしも望ましいとは限らないため、コンパイラの作成者にそれを義務付けることは意味がありません。
末尾呼び出しの最適化は、多くのの再帰が予想または必要な場合にのみ保証する必要があると思います。つまり、関数型プログラミングスタイルを奨励または実施する言語です。 （これらの種類の言語では、forまたはwhileループが強く推奨されていないか、エレガントでないと認識されているか、言語に完全に存在しない可能性があるため、再帰に頼ることになります。これらすべての理由、そしておそらくそれ以上。）
Cプログラミング言語（IMHO）は、関数型プログラミングを念頭に置いて設計されたものではないことは明らかです。再帰を優先して一般的に使用されるすべての種類のループ構造があります：for、do .. while、while。このような言語では、動作するプログラムを保証する必要がないため、標準で末尾呼び出しの最適化を規定することはあまり意味がありません。
これを、whileループを持たない関数型プログラミング言語ともう一度比較してください。これは、再帰が必要になることを意味します。つまり、言語は、多くの反復でスタックオーバーフローが問題にならないようにする必要があります。したがって、そのような言語の公式標準は末尾呼び出しの最適化を規定することを選択する可能性があります。
P.S.:for末尾呼び出しの最適化に関する私の引数のわずかな欠陥に注意してください。終わりに向かって、スタックオーバーフローについて言及します。しかし、関数呼び出しには常にスタックが必要だと誰が言いますか？一部のプラットフォームでは、関数呼び出しがまったく異なる方法で実装される場合があり、スタックオーバーフローが問題になることはありません。これは、標準で末尾呼び出しの最適化を規定することに反対するさらに別の議論になります。 （しかし、誤解しないでください。スタックがなくても、このような最適化のメリットを確認できます！）
最後の質問に答えるために：標準は絶対に最適化について何も言明すべきではありません。実装が多かれ少なかれ難しい環境があるかもしれません。
言語標準は、コンパイラの実装方法ではなく、言語の動作を定義します。最適化は必ずしも必要ではないため、必須ではありません。コンパイラーは、ユーザーが必要に応じて最適化を有効にし、同様にオフにすることができるように、オプションを提供します。コンパイラの最適化は、コードをデバッグする機能に影響を与える可能性があるため（Cをアセンブリに1行ずつ一致させることが難しくなります）、ユーザーの要求があった場合にのみ最適化を実行するのが理にかなっています。
構造による証明が好きな人のために、ここにゴッドボルトが素敵な末尾呼び出しの最適化とインラインを行っています： https://godbolt.org/z/DMleUN
ただし、最適化を-O3にクランクすると（または、数年待つか、別のコンパイラを使用する場合は間違いありません）、最適化によってループ/再帰が完全に削除されます。
これは、-O2を使用しても単一の命令に最適化する例です。 https://godbolt.org/z/CNzWex
コンパイラーは、関数が別の関数を呼び出した後に何もする必要がない状況を認識し、その呼び出しをジャンプに置き換えるのが一般的です。それが安全にできるケースの多くは簡単に認識でき、そのようなケースは「安全なぶら下がっている果物」と見なされます。ただし、このような最適化を実行できるコンパイラーでも、いつ実行する必要があるのか、いつ実行するのかが常に明確であるとは限りません。さまざまな要因により、末尾呼び出しのコストが通常の呼び出しのコストよりも高くなる可能性があり、これらの要因が常に予測できるとは限りません。たとえば、関数がreturn foo(1,2,3,a,b,c,4,5,6);で終わる場合、a、b、cをレジスタにコピーし、スタックをクリーンアップしてから、渡す引数を準備するのが実用的かもしれませんが、十分なレジスタがない可能性があります。同様にfoo(a,b,c,d,e,f,g,h,i);を処理するために使用できます。
言語に特別な「末尾呼び出し」構文があり、コンパイラーが可能な限り末尾呼び出しを行い、それ以外の場合はコンパイルを拒否する必要がある場合、コードはそのような関数が任意の深さでネストできると安全に想定できます。ただし、通常の呼び出し構文を使用する場合、コンパイラーが「通常の」呼び出し構文よりも安価に末尾呼び出しを実行できるかどうかを知る一般的な方法はありません。
末尾呼び出しの最適化がABIを壊す可能性があるか、少なくともセマンティックを維持する方法で実装するのが非常に難しい状況があります。たとえば、共有ライブラリの位置に依存しないコードについて考えてみます。一部のプラットフォームでは、さまざまな異なるアプリケーションがすべて同じ機能に依存している場合に、プログラムがライブラリに対して動的にリンクしてメインメモリを節約できます。このような場合、ライブラリは一度ロードされ、システム上の唯一のアプリケーションであるかのように、プログラムの各仮想メモリにマップされます。 UNIXおよびその他の一部のシステムでは、これはライブラリに位置に依存しないコードを使用することで実現されるため、アドレス指定は固定アドレス空間に対して絶対的ではなく、オフセットに対して相対的です。ただし、多くのプラットフォームでは、位置に依存しないコードを末尾呼び出しに最適化してはなりません。関連する問題は、プログラムをナビゲートするためのオフセットをレジスタに保持する必要があることです。 Intel 32ビットでは、呼び出し先が保存したレジスタである%ebxが使用されます。他のプラットフォームはその概念に従います。通常の呼び出しを使用する関数とは異なり、末尾呼び出しをデプロイする関数は、サブルーチンに分岐する前に、呼び出し先が保存したレジスターを復元する必要があります。通常、これは問題ありません。この時点で、最上位の呼び出し関数は%ebxに格納されている値を考慮しませんが、位置に依存しないコードは、ジャンプ、呼び出し、または分岐コマンドごとにこの値に依存します。 。
他の問題は、オブジェクト指向言語（C++）でのクリーンアップが保留されている可能性があります。つまり、関数の最後の呼び出しは実際には最後の呼び出しではありません。クリーンアップはそうです。したがって、これが当てはまる場合、コンパイラは通常最適化を行いません。
また、もちろん、setjmpとlongjmpには問題があります。これは、関数が実際に終了する前に、関数が複数回実行を終了できることを意味するためです。コンパイル時に最適化するのが難しいか不可能です！
おそらくもっと技術的な理由が考えられます。これらはいくつかの考慮事項です。