高效的C編程之：寄存器分配

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（PointerAliasing）”問題。

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。

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。

voidf(int*a);

intg(inta);

inttest1(inti)

{f(i);

/*nowuse’i’extensively*/

i+=g(i);

i+=g(i);

returni;

}

編譯結果如下所示。

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。

inttest2(inti)

{

intdummy=i;

f(dummy);

i=dummy;

/*nowuse’i’extensively*/

i+=g(i);

i+=g(i);

returni;

}

編譯后的結果如下。

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。