c - 为什么取消引用使我的程序更快？

Question

考虑以下测试程序:

Loop value on the stack

int main( void ) {
    int iterations = 1000000000;

    while ( iterations > 0 )
        -- iterations;
}

Loop value on the stack (dereferenced)

int main( void ) {
    int iterations = 1000000000;
    int * p = & iterations;

    while ( * p > 0 )
        -- * p;
}

Loop value on the heap

#include <stdlib.h>

int main( void ) {
    int * p = malloc( sizeof( int ) );
    * p = 1000000000;

    while ( *p > 0 )
        -- * p;
}

通过使用 -O0 编译它们，我得到以下执行时间:

case1.c
real    0m2.698s
user    0m2.690s
sys     0m0.003s

case2.c
real    0m2.574s
user    0m2.567s
sys     0m0.000s

case3.c
real    0m2.566s
user    0m2.560s
sys     0m0.000s

[编辑] 以下是 10 次执行的平均值:

case1.c
2.70364

case2.c
2.57091

case3.c
2.57000

为什么第一个测试用例的执行时间比较长，这似乎是最简单的？

我目前的架构是 x86 虚拟机 (Archlinux)。我用 gcc (4.8.0) 和 clang (3.3) 都得到了这些结果。

[编辑 1] 生成的汇编代码几乎相同，只是第二个和第三个的指令比第一个多。

[edit 2] 这些性能是可重现的(在我的系统上)。每次执行都会有相同的数量级。

[edit 3] 我不太关心未优化程序的性能，但我不明白为什么它会变慢，我很好奇。

Answer 1

很难说这是否是原因，因为我正在做一些猜测，而您没有给出一些细节(比如您使用的是哪个目标)。但是当我在没有使用 x86 目标进行优化的情况下进行编译时，我看到的是以下用于递减 iterations 变量的序列:

案例一:

L3:
    sub DWORD PTR [esp+12], 1
L2:
    cmp DWORD PTR [esp+12], 0
    jg  L3

案例二:

L3:
    mov eax, DWORD PTR [esp+12]
    mov eax, DWORD PTR [eax]
    lea edx, [eax-1]
    mov eax, DWORD PTR [esp+12]
    mov DWORD PTR [eax], edx
L2:
    mov eax, DWORD PTR [esp+12]
    mov eax, DWORD PTR [eax]
    test    eax, eax
    jg  L3

您在案例 1 中看到的一个很大的区别是 L3 中的指令读取和写入内存位置。紧随其后的是一条指令，该指令读取刚刚写入的相同内存位置。这种指令序列(写入相同的内存位置，然后在下一条指令中立即使用)通常会导致现代 CPU 中的某种流水线停顿。

您会注意到，在情况 2 中不存在写入后立即读取同一位置。

再一次 - 这个答案是一些有根据的推测。