資料介紹
14.7 寄存器分配
編譯器一項很重要的優化功能就是對寄存器的分配。與分配在寄存器中的變量相比,分配到內存的變量訪問要慢得多。所以如何將盡可能多的變量分配到寄存器,是編程時應該重點考慮的問題。
注意當使用-g或-dubug選項編譯程序時,為了確保調試信息的完整性,寄存器分配的效率比不使用-g或-dubug選項低很多。
14.7.1 變量寄存器分配
一般情況下,編譯器會對C函數中的每一個局部變量分配一個寄存器。如果多個局部變量不會交迭使用,那么編譯器會對它們分配同一個寄存器。當局部變量多于可用的寄存器時,編譯器會把多余的變量存儲到堆棧。這些被寫入堆棧需要訪問存儲器的變量被稱為溢出(Spilled)變量。
為了提高程序的執行效率:
· 使溢出變量的數量最少;
· 確保最重要的和經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;
· 調用子程序時傳遞的參數;
· 與地址無關變量。
另外,在一些特定條件下,結構體中的域也可以被分配到寄存器中。
表14.1顯示了當C編譯器采用ARM-Thumb過程調用標準時,內部寄存器的編號、名字和分配方法。
表14.1 C編譯器寄存器用法
寄存器編號可選寄存器名特殊寄存器名寄存器用法
r0a1函數調用時的參數寄存器,用來存放前4個函數參數和存放返回值。在函數內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平臺寄存器,不同的平臺對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臨時過渡寄存器,函數調用時會破壞其中的值
r13SP堆棧指針
r14LR鏈接寄存器
r15PC程序計數器
從表14.1可以看出,編譯器可以分配14個變量到寄存器而不會發生溢出。但有些寄存器編譯器會有特殊用途(如r12),所以在編寫程序時應盡量限制變量的數目,使函數內部最多使用12個寄存器。
注意在C語言中,可以使用關鍵詞register給指定變量分配專用寄存器。但不同的編譯器對該關鍵詞的處理可能不同,使用時要查閱相關手冊。
14.7.2 指針別名
C語言中的指針變量可以給編程帶來很大的方便。但使用指針變量時要特別小心,它很可能使程序的執行效率下降。在一個函數中,編譯器通常不知道是否有2個或2個以上的指針指向同一個地址對象。所以編譯器認為,對任何一個指針的寫入都將會影響從任何其他指針的讀出,但這樣會明顯降低代碼執行的效率。這就是著名的“寄存器別名(Pointer Aliasing)”問題。
注意一些編譯器提供了“忽略指針別名”選項,但這可能給程序帶來潛在的bug。ARM編譯器是遵循ANSI/ISO標準的編譯器,不提供該選項。
1.局部變量指針別名問題
通常情況下,編譯器會試圖對C函數中的每一個局部變量分配一個寄存器。但當局部變量是指向內存地址的指針時,情況有所不同。先來看一個簡單的例子。
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。因為編譯器不能確定指針*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。
另一個問題,當在函數中要獲得局部變量地址時,這個變量就被一個指針所對應,就可能與其他指針產生別名。為了防止別名發生,在每次對變量操作時,編譯器就會從堆棧中重新讀入數據。考慮下面的例子程序,分析其產生的編譯結果。
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果可以看出,對每一次i操作,編譯器都將會從堆棧中讀出其值。這是因為,一旦在函數中出現對i的取值操作,編譯器就會擔心別名問題。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制到另外一個局部變量中。下面的程序是對test1函數的優化。
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}
從編譯結果可以看出,修改后的代碼只使用了2次內存訪問,而test1為4次內存訪問。
總上所述,為了在程序中避免指針別名,應該做到:
· 避免使用局部變量地址;
· 如果程序中出現多次對同一指針的訪問,應先將其值取出并保存到臨時變量中。
2.全局變量
通常情況下,編譯器不會為全局變量分配寄存器。這樣在程序中使用全局變量,很可能帶來內存訪問上的開銷。所有盡量避免在循環體內使用全局變量,以減少對內存的訪問次數。
如果在一段程序體內大量使用了同一個全局變量,建議在使用前先將其拷貝到一個局部的臨時變量中,當完成對它的全部操作后,再將其寫回到內存。
比較下面兩個完成同樣功能的函數,分析全局變量的操作對程序性能的影響。
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}
從編譯的結果中可以看出,test1中每次對全局變量errs的訪問都會使用耗時的Load/Store指令;而test2只使用了一次內存訪問指令。這對提高程序的整體性能有很大幫助。
3.指針鏈
指針鏈(Pointer Chains)常被用來訪問結構體內部變量。下面的例子顯示了一個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”時都會對變量重新取值。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;
}
經過改寫的代碼,減少了內存訪問次數,提高程序的執行效率,另外也可以在object結構體中增加一個point3域,專門作為指向p-》pos的指針。
?
編譯器一項很重要的優化功能就是對寄存器的分配。與分配在寄存器中的變量相比,分配到內存的變量訪問要慢得多。所以如何將盡可能多的變量分配到寄存器,是編程時應該重點考慮的問題。
注意當使用-g或-dubug選項編譯程序時,為了確保調試信息的完整性,寄存器分配的效率比不使用-g或-dubug選項低很多。
14.7.1 變量寄存器分配
一般情況下,編譯器會對C函數中的每一個局部變量分配一個寄存器。如果多個局部變量不會交迭使用,那么編譯器會對它們分配同一個寄存器。當局部變量多于可用的寄存器時,編譯器會把多余的變量存儲到堆棧。這些被寫入堆棧需要訪問存儲器的變量被稱為溢出(Spilled)變量。
為了提高程序的執行效率:
· 使溢出變量的數量最少;
· 確保最重要的和經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;
· 調用子程序時傳遞的參數;
· 與地址無關變量。
另外,在一些特定條件下,結構體中的域也可以被分配到寄存器中。
表14.1顯示了當C編譯器采用ARM-Thumb過程調用標準時,內部寄存器的編號、名字和分配方法。
表14.1 C編譯器寄存器用法
寄存器編號可選寄存器名特殊寄存器名寄存器用法
r0a1函數調用時的參數寄存器,用來存放前4個函數參數和存放返回值。在函數內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平臺寄存器,不同的平臺對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臨時過渡寄存器,函數調用時會破壞其中的值
r13SP堆棧指針
r14LR鏈接寄存器
r15PC程序計數器
從表14.1可以看出,編譯器可以分配14個變量到寄存器而不會發生溢出。但有些寄存器編譯器會有特殊用途(如r12),所以在編寫程序時應盡量限制變量的數目,使函數內部最多使用12個寄存器。
注意在C語言中,可以使用關鍵詞register給指定變量分配專用寄存器。但不同的編譯器對該關鍵詞的處理可能不同,使用時要查閱相關手冊。
14.7.2 指針別名
C語言中的指針變量可以給編程帶來很大的方便。但使用指針變量時要特別小心,它很可能使程序的執行效率下降。在一個函數中,編譯器通常不知道是否有2個或2個以上的指針指向同一個地址對象。所以編譯器認為,對任何一個指針的寫入都將會影響從任何其他指針的讀出,但這樣會明顯降低代碼執行的效率。這就是著名的“寄存器別名(Pointer Aliasing)”問題。
注意一些編譯器提供了“忽略指針別名”選項,但這可能給程序帶來潛在的bug。ARM編譯器是遵循ANSI/ISO標準的編譯器,不提供該選項。
1.局部變量指針別名問題
通常情況下,編譯器會試圖對C函數中的每一個局部變量分配一個寄存器。但當局部變量是指向內存地址的指針時,情況有所不同。先來看一個簡單的例子。
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。因為編譯器不能確定指針*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。
另一個問題,當在函數中要獲得局部變量地址時,這個變量就被一個指針所對應,就可能與其他指針產生別名。為了防止別名發生,在每次對變量操作時,編譯器就會從堆棧中重新讀入數據。考慮下面的例子程序,分析其產生的編譯結果。
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果可以看出,對每一次i操作,編譯器都將會從堆棧中讀出其值。這是因為,一旦在函數中出現對i的取值操作,編譯器就會擔心別名問題。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制到另外一個局部變量中。下面的程序是對test1函數的優化。
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}
從編譯結果可以看出,修改后的代碼只使用了2次內存訪問,而test1為4次內存訪問。
總上所述,為了在程序中避免指針別名,應該做到:
· 避免使用局部變量地址;
· 如果程序中出現多次對同一指針的訪問,應先將其值取出并保存到臨時變量中。
2.全局變量
通常情況下,編譯器不會為全局變量分配寄存器。這樣在程序中使用全局變量,很可能帶來內存訪問上的開銷。所有盡量避免在循環體內使用全局變量,以減少對內存的訪問次數。
如果在一段程序體內大量使用了同一個全局變量,建議在使用前先將其拷貝到一個局部的臨時變量中,當完成對它的全部操作后,再將其寫回到內存。
比較下面兩個完成同樣功能的函數,分析全局變量的操作對程序性能的影響。
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}
從編譯的結果中可以看出,test1中每次對全局變量errs的訪問都會使用耗時的Load/Store指令;而test2只使用了一次內存訪問指令。這對提高程序的整體性能有很大幫助。
3.指針鏈
指針鏈(Pointer Chains)常被用來訪問結構體內部變量。下面的例子顯示了一個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”時都會對變量重新取值。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;
}
經過改寫的代碼,減少了內存訪問次數,提高程序的執行效率,另外也可以在object結構體中增加一個point3域,專門作為指向p-》pos的指針。
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