高效的C編程之寄存器分配

14.7 寄存器分配
　　編譯器一項(xiàng)很重要的優(yōu)化功能就是對(duì)寄存器的分配。與分配在寄存器中的變量相比，分配到內(nèi)存的變量訪問(wèn)要慢得多。所以如何將盡可能多的變量分配到寄存器，是編程時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
　　注意當(dāng)使用-g或-dubug選項(xiàng)編譯程序時(shí)，為了確保調(diào)試信息的完整性，寄存器分配的效率比不使用-g或-dubug選項(xiàng)低很多。
　　14.7.1 變量寄存器分配
　　一般情況下，編譯器會(huì)對(duì)C函數(shù)中的每一個(gè)局部變量分配一個(gè)寄存器。如果多個(gè)局部變量不會(huì)交迭使用，那么編譯器會(huì)對(duì)它們分配同一個(gè)寄存器。當(dāng)局部變量多于可用的寄存器時(shí)，編譯器會(huì)把多余的變量存儲(chǔ)到堆棧。這些被寫入堆棧需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器的變量被稱為溢出（Spilled）變量。
　　為了提高程序的執(zhí)行效率：
　　· 使溢出變量的數(shù)量最少；
　　· 確保最重要的和經(jīng)常用到的變量被分配在寄存器中。
　　可以被分配到寄存器的變量包括：
　　· 程序中的局部變量；
　　· 調(diào)用子程序時(shí)傳遞的參數(shù)；
　　· 與地址無(wú)關(guān)變量。
　　另外，在一些特定條件下，結(jié)構(gòu)體中的域也可以被分配到寄存器中。
　　表14.1顯示了當(dāng)C編譯器采用ARM－Thumb過(guò)程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，內(nèi)部寄存器的編號(hào)、名字和分配方法。
　　表14.1 C編譯器寄存器用法
　　寄存器編號(hào)可選寄存器名特殊寄存器名寄存器用法
　　r0a1函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)寄存器，用來(lái)存放前4個(gè)函數(shù)參數(shù)和存放返回值。在函數(shù)內(nèi)如果將這些寄存器用作其他用途，將破壞其值。
　　r1a2
　　r2a3
　　r3a4
　　r4v1通用變量寄存器
　　r5v2
　　r6v3
　　r7v4
　　r8v5
　　r9v6或SB或TR平臺(tái)寄存器，不同的平臺(tái)對(duì)該寄存器的定義不同
　　r10v7通用變量寄存器。在使用堆棧邊界檢測(cè)的情況下，r10保存堆棧邊界的地址
　　r11v8通用變量寄存器。
　　r12IP臨時(shí)過(guò)渡寄存器，函數(shù)調(diào)用時(shí)會(huì)破壞其中的值
　　r13SP堆棧指針
　　r14LR鏈接寄存器
　　r15PC程序計(jì)數(shù)器
　　從表14.1可以看出，編譯器可以分配14個(gè)變量到寄存器而不會(huì)發(fā)生溢出。但有些寄存器編譯器會(huì)有特殊用途（如r12），所以在編寫程序時(shí)應(yīng)盡量限制變量的數(shù)目，使函數(shù)內(nèi)部最多使用12個(gè)寄存器。
　　注意在C語(yǔ)言中，可以使用關(guān)鍵詞register給指定變量分配專用寄存器。但不同的編譯器對(duì)該關(guān)鍵詞的處理可能不同，使用時(shí)要查閱相關(guān)手冊(cè)。
　　14.7.2 指針別名
　　C語(yǔ)言中的指針變量可以給編程帶來(lái)很大的方便。但使用指針變量時(shí)要特別小心，它很可能使程序的執(zhí)行效率下降。在一個(gè)函數(shù)中，編譯器通常不知道是否有2個(gè)或2個(gè)以上的指針指向同一個(gè)地址對(duì)象。所以編譯器認(rèn)為，對(duì)任何一個(gè)指針的寫入都將會(huì)影響從任何其他指針的讀出，但這樣會(huì)明顯降低代碼執(zhí)行的效率。這就是著名的“寄存器別名（Pointer Aliasing）”問(wèn)題。
　　注意一些編譯器提供了“忽略指針別名”選項(xiàng)，但這可能給程序帶來(lái)潛在的bug。ARM編譯器是遵循ANSI/ISO標(biāo)準(zhǔn)的編譯器，不提供該選項(xiàng)。
　　1．局部變量指針別名問(wèn)題
　　通常情況下，編譯器會(huì)試圖對(duì)C函數(shù)中的每一個(gè)局部變量分配一個(gè)寄存器。但當(dāng)局部變量是指向內(nèi)存地址的指針時(shí)，情況有所不同。先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。
　　void add（int * i）
　　{
　　int total1=0，total2=0;
　　total1+= *i;
　　total2+= *i;
　　}
　　編譯后生成：
　　add：
　　0000807C E3A01000 MOV r1，#0
　　》》》 POINTALIAS\#3 int total1=0，total2=0;
　　00008080 E3A02000 MOV r2，#0
　　》》》 POINTALIAS\#5 total1+= *i;
　　00008084 E5903000 LDR r3，［r0，#0］
　　00008088 E0831001 ADD r1，r3，r1
　　》》》 POINTALIAS\#6 total2+= *i;
　　0000808C E5903000 LDR r3，［r0，#0］
　　00008090 E0832002 ADD r2，r3，r2
　　》》》 POINTALIAS\#8 }
　　00008094 E12FFF1E BX r14
　　》》》 POINTALIAS\#11 {
　　注意程序中i的值被裝載了兩次。因?yàn)榫幾g器不能確定指針*i是否有別名存在，這就使得編譯器不得不增加一條額外的Load指令。
　　另一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)在函數(shù)中要獲得局部變量地址時(shí)，這個(gè)變量就被一個(gè)指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)，就可能與其他指針產(chǎn)生別名。為了防止別名發(fā)生，在每次對(duì)變量操作時(shí)，編譯器就會(huì)從堆棧中重新讀入數(shù)據(jù)?？紤]下面的例子程序，分析其產(chǎn)生的編譯結(jié)果。
　　void f（int *a）;
　　int g（int a）;
　　int test1（int i）
　　{ f（&i）;
　　/* now use ’i’ extensively */
　　i += g（i）;
　　i += g（i）;
　　return i;
　　}
　　編譯結(jié)果如下所示。
　　test1
　　STMDB sp！，{a1，lr}
　　MOV a1，sp
　　BL f
　　LDR a1，［sp，#0］
　　BL g
　　LDR a2，［sp，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　STR a1，［sp，#0］
　　BL g
　　LDR a2，［sp，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　ADD sp，sp，#4
　　LDMIA sp！，{pc}
　　從上面代碼的編譯結(jié)果可以看出，對(duì)每一次i操作，編譯器都將會(huì)從堆棧中讀出其值。這是因?yàn)?，一旦在函?shù)中出現(xiàn)對(duì)i的取值操作，編譯器就會(huì)擔(dān)心別名問(wèn)題。為了避免這種情況，盡量不要在程序中使用局部變量地址。如果必須這么做，那么可以在使用之前先把局部變量的值復(fù)制到另外一個(gè)局部變量中。下面的程序是對(duì)test1函數(shù)的優(yōu)化。
　　int test2（int i）
　　{
　　int dummy = i;
　　f（&dummy）;
　　i = dummy;
　　/* now use ’i’ extensively */
　　i += g（i）;
　　i += g（i）;
　　return i;
　　}
　　編譯后的結(jié)果如下。
　　test2
　　STMDB sp！，{v1，lr}
　　STR a1，［sp，#-4］！
　　MOV a1，sp
　　BL f
　　LDR v1，［sp，#0］
　　MOV a1，v1
　　BL g
　　ADD v1，a1，v1
　　MOV a1，v1
　　BL g
　　ADD a1，a1，v1
　　ADD sp，sp，#4
　　LDMIA sp！，{v1，pc}
　　從編譯結(jié)果可以看出，修改后的代碼只使用了2次內(nèi)存訪問(wèn)，而test1為4次內(nèi)存訪問(wèn)。
　　總上所述，為了在程序中避免指針別名，應(yīng)該做到：
　　· 避免使用局部變量地址；
　　· 如果程序中出現(xiàn)多次對(duì)同一指針的訪問(wèn)，應(yīng)先將其值取出并保存到臨時(shí)變量中。
　　2．全局變量
　　通常情況下，編譯器不會(huì)為全局變量分配寄存器。這樣在程序中使用全局變量，很可能帶來(lái)內(nèi)存訪問(wèn)上的開(kāi)銷。所有盡量避免在循環(huán)體內(nèi)使用全局變量，以減少對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)次數(shù)。
　　如果在一段程序體內(nèi)大量使用了同一個(gè)全局變量，建議在使用前先將其拷貝到一個(gè)局部的臨時(shí)變量中，當(dāng)完成對(duì)它的全部操作后，再將其寫回到內(nèi)存。
　　比較下面兩個(gè)完成同樣功能的函數(shù)，分析全局變量的操作對(duì)程序性能的影響。
　　int f（void）;
　　int g（void）;
　　int errs;
　　void test1（void）
　　{
　　errs += f（）;
　　errs += g（）;
　　}
　　void test2（void）
　　{
　　int localerrs = errs;
　　localerrs += f（）;
　　localerrs += g（）;
　　errs = localerrs;
　　}
　　編譯結(jié)果如下。
　　test1
　　STMDB sp！，{v1，lr}
　　BL f
　　LDR v1，［pc， #L00002c-。-8］
　　LDR a2，［v1，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　STR a1，［v1，#0］
　　BL g
　　LDR a2，［v1，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　STR a1，［v1，#0］
　　LDMIA sp！，{v1，pc}
　　L00002c
　　DCD |x$dataseg|
　　test2
　　STMDB sp！，{v1，v2，lr}
　　LDR v1，［pc， #L00002c-。-8］
　　LDR v2，［v1，#0］
　　BL f
　　ADD v2，a1，v2
　　BL g
　　ADD a1，a1，v2
　　STR a1，［v1，#0］
　　LDMIA sp！，{v1，v2，pc}
　　從編譯的結(jié)果中可以看出，test1中每次對(duì)全局變量errs的訪問(wèn)都會(huì)使用耗時(shí)的Load/Store指令；而test2只使用了一次內(nèi)存訪問(wèn)指令。這對(duì)提高程序的整體性能有很大幫助。
　　3．指針鏈
　　指針鏈（Pointer Chains）常被用來(lái)訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部變量。下面的例子顯示了一個(gè)典型的指針鏈的使用。
　　typedef struct { int x， y， z; } Point3;
　　typedef struct { Point3 *pos， *direction; } Object;
　　void InitPos1（Object *p）
　　{
　　p-》pos-》x = 0;
　　p-》pos-》y = 0;
　　p-》pos-》z = 0;
　　}
　　上面的代碼每次使用“p-》pos”時(shí)都會(huì)對(duì)變量重新取值。為了提高代碼效率，將程序改寫如下。
　　void InitPos2（Object *p）
　　{
　　Point3 *pos = p-》pos;
　　pos-》x = 0;
　　pos-》y = 0;
　　pos-》z = 0;
　　}
　　經(jīng)過(guò)改寫的代碼，減少了內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)，提高程序的執(zhí)行效率，另外也可以在object結(jié)構(gòu)體中增加一個(gè)point3域，專門作為指向p-》pos的指針。
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