高效的C編程之：寄存器分配

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（PointerAliasing）”問(wèn)題。

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。

voidadd(int*i)

{

inttotal1=0,total2=0;

total1+=*i;

total2+=*i;

}

編譯后生成：

add:

0000807CE3A01000MOVr1,#0

>>>POINTALIAS#3inttotal1=0,total2=0;

00008080E3A02000MOVr2,#0

>>>POINTALIAS#5total1+=*i;

00008084E5903000LDRr3,[r0,#0]

00008088E0831001ADDr1,r3,r1

>>>POINTALIAS#6total2+=*i;

0000808CE5903000LDRr3,[r0,#0]

00008090E0832002ADDr2,r3,r2

>>>POINTALIAS#8}

00008094E12FFF1EBXr14

>>>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)。考慮下面的例子程序，分析其產(chǎn)生的編譯結(jié)果。

voidf(int*a);

intg(inta);

inttest1(inti)

{f(i);

/*nowuse’i’extensively*/

i+=g(i);

i+=g(i);

returni;

}

編譯結(jié)果如下所示。

test1

STMDBsp!,{a1,lr}

MOVa1,sp

BLf

LDRa1,[sp,#0]

BLg

LDRa2,[sp,#0]

ADDa1,a1,a2

STRa1,[sp,#0]

BLg

LDRa2,[sp,#0]

ADDa1,a1,a2

ADDsp,sp,#4

LDMIAsp!,{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。

inttest2(inti)

{

intdummy=i;

f(dummy);

i=dummy;

/*nowuse’i’extensively*/

i+=g(i);

i+=g(i);

returni;

}

編譯后的結(jié)果如下。

test2

STMDBsp!,{v1,lr}

STRa1,[sp,#-4]!

MOVa1,sp

BLf

LDRv1,[sp,#0]

MOVa1,v1

BLg

ADDv1,a1,v1

MOVa1,v1

BLg

ADDa1,a1,v1

ADDsp,sp,#4

LDMIAsp!,{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。