高效的C编程之寄存器分配

14.7 寄存器分配
　　编译器一项很重要的优化功能就是对寄存器的分配。与分配在寄存器中的变量相比，分配到内存的变量访问要慢得多。所以如何将尽可能多的变量分配到寄存器，是编程时应该重点考虑的问题。
　　注意当使用-g或-dubug选项编译程序时，为了确保调试信息的完整性，寄存器分配的效率比不使用-g或-dubug选项低很多。
　　14.7.1 变量寄存器分配
　　一般情况下，编译器会对C函数中的每一个局部变量分配一个寄存器。如果多个局部变量不会交迭使用，那么编译器会对它们分配同一个寄存器。当局部变量多于可用的寄存器时，编译器会把多余的变量存储到堆栈。这些被写入堆栈需要访问存储器的变量被称为溢出（Spilled）变量。
　　为了提高程序的执行效率：
　　· 使溢出变量的数量最少；
　　· 确保最重要的和经常用到的变量被分配在寄存器中。
　　可以被分配到寄存器的变量包括：
　　· 程序中的局部变量；
　　· 调用子程序时传递的参数；
　　· 与地址无关变量。
　　另外，在一些特定条件下，结构体中的域也可以被分配到寄存器中。
　　表14.1显示了当C编译器采用ARM－Thumb过程调用标准时，内部寄存器的编号、名字和分配方法。
　　表14.1 C编译器寄存器用法
　　寄存器编号可选寄存器名特殊寄存器名寄存器用法
　　r0a1函数调用时的参数寄存器，用来存放前4个函数参数和存放返回值。在函数内如果将这些寄存器用作其他用途，将破坏其值。
　　r1a2
　　r2a3
　　r3a4
　　r4v1通用变量寄存器
　　r5v2
　　r6v3
　　r7v4
　　r8v5
　　r9v6或SB或TR平台寄存器，不同的平台对该寄存器的定义不同
　　r10v7通用变量寄存器。在使用堆栈边界检测的情况下，r10保存堆栈边界的地址
　　r11v8通用变量寄存器。
　　r12IP临时过渡寄存器，函数调用时会破坏其中的值
　　r13SP堆栈指针
　　r14LR链接寄存器
　　r15PC程序计数器
　　从表14.1可以看出，编译器可以分配14个变量到寄存器而不会发生溢出。但有些寄存器编译器会有特殊用途（如r12），所以在编写程序时应尽量限制变量的数目，使函数内部最多使用12个寄存器。
　　注意在C语言中，可以使用关键词register给指定变量分配专用寄存器。但不同的编译器对该关键词的处理可能不同，使用时要查阅相关手册。
　　14.7.2 指针别名
　　C语言中的指针变量可以给编程带来很大的方便。但使用指针变量时要特别小心，它很可能使程序的执行效率下降。在一个函数中，编译器通常不知道是否有2个或2个以上的指针指向同一个地址对象。所以编译器认为，对任何一个指针的写入都将会影响从任何其他指针的读出，但这样会明显降低代码执行的效率。这就是著名的“寄存器别名（Pointer Aliasing）”问题。
　　注意一些编译器提供了“忽略指针别名”选项，但这可能给程序带来潜在的bug。ARM编译器是遵循ANSI/ISO标准的编译器，不提供该选项。
　　1．局部变量指针别名问题
　　通常情况下，编译器会试图对C函数中的每一个局部变量分配一个寄存器。但当局部变量是指向内存地址的指针时，情况有所不同。先来看一个简单的例子。
　　void add（int * i）
　　{
　　int total1=0，total2=0;
　　total1+= *i;
　　total2+= *i;
　　}
　　编译后生成：
　　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的值被装载了两次。因为编译器不能确定指针*i是否有别名存在，这就使得编译器不得不增加一条额外的Load指令。
　　另一个问题，当在函数中要获得局部变量地址时，这个变量就被一个指针所对应，就可能与其他指针产生别名。为了防止别名发生，在每次对变量操作时，编译器就会从堆栈中重新读入数据。考虑下面的例子程序，分析其产生的编译结果。
　　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;
　　}
　　编译结果如下所示。
　　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}
　　从上面代码的编译结果可以看出，对每一次i操作，编译器都将会从堆栈中读出其值。这是因为，一旦在函数中出现对i的取值操作，编译器就会担心别名问题。为了避免这种情况，尽量不要在程序中使用局部变量地址。如果必须这么做，那么可以在使用之前先把局部变量的值复制到另外一个局部变量中。下面的程序是对test1函数的优化。
　　int test2（int i）
　　{
　　int dummy = i;
　　f（&dummy）;
　　i = dummy;
　　/* now use ’i’ extensively */
　　i += g（i）;
　　i += g（i）;
　　return i;
　　}
　　编译后的结果如下。
　　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}
　　从编译结果可以看出，修改后的代码只使用了2次内存访问，而test1为4次内存访问。
　　总上所述，为了在程序中避免指针别名，应该做到：
　　· 避免使用局部变量地址；
　　· 如果程序中出现多次对同一指针的访问，应先将其值取出并保存到临时变量中。
　　2．全局变量
　　通常情况下，编译器不会为全局变量分配寄存器。这样在程序中使用全局变量，很可能带来内存访问上的开销。所有尽量避免在循环体内使用全局变量，以减少对内存的访问次数。
　　如果在一段程序体内大量使用了同一个全局变量，建议在使用前先将其拷贝到一个局部的临时变量中，当完成对它的全部操作后，再将其写回到内存。
　　比较下面两个完成同样功能的函数，分析全局变量的操作对程序性能的影响。
　　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;
　　}
　　编译结果如下。
　　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}
　　从编译的结果中可以看出，test1中每次对全局变量errs的访问都会使用耗时的Load/Store指令；而test2只使用了一次内存访问指令。这对提高程序的整体性能有很大帮助。
　　3．指针链
　　指针链（Pointer Chains）常被用来访问结构体内部变量。下面的例子显示了一个典型的指针链的使用。
　　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;
　　}
　　上面的代码每次使用“p-》pos”时都会对变量重新取值。为了提高代码效率，将程序改写如下。
　　void InitPos2（Object *p）
　　{
　　Point3 *pos = p-》pos;
　　pos-》x = 0;
　　pos-》y = 0;
　　pos-》z = 0;
　　}
　　经过改写的代码，减少了内存访问次数，提高程序的执行效率，另外也可以在object结构体中增加一个point3域，专门作为指向p-》pos的指针。