c++ - 在不改变值(value)、性能的情况下多次访问位域？

Question

给定一个带有位域的结构，例如:

struct
{   
    long f0: 6;
    long f1: 6;
    long f2: 2;
    long f3: 2;
} S;

以下代码之间是否存在性能差异:1-

const int f0=S.f0,f1=S.f1,....;
//multiple calculations that use f0,f1,...., for example
int x=f0*f0;

相比于2-

//multiple calculations that use S.f0,S.f1,... directly, for example
x=S.f0*S.f0

我问的不是过早的优化，但我想知道今天的编译器是否能够知道 f0,... 是否在程序的不同部分之间改变。

Answer 1

期待优化器的最高能力

这当然完全依赖于实现。但作为一般原则，您可以期望优化编译器在两种情况下生成类似的优化代码。

为什么？因为基本上，在许多 objective-c PU 上，使用位字段只需要对原始值进行一些二进制操作(右移和左移)。然后优化器可以优化这些表达式(例如优化冗余子表达式)，就像表达式中的任何其他操作一样。

实际实验:

取顺序:

x=S.f0*S.f0;
y=S.f0*S.f1;

(相关部分)code generated GCC 8.3 是:

  1)  movzx   eax, BYTE PTR S[rip]     ; load 8 bit of data data and make it 16 bits
  2)  sal     eax, 2                   ;  get rid of the 2 bytes to keep only the 6
  3)  sar     al, 2
  4)  movsx   edx, al                  ; clone the value in second register
  5)  mov     eax, edx
  6)  imul    eax, edx
  7)  mov     DWORD PTR x[rip], eax

  8)  movzx   eax, WORD PTR S[rip]     ; load 16 bits
  9)  sal     eax, 4                   ; get rid of 4 bits (so remain 12)
 10)  sar     ax, 10                   ; get rid of 10 bits on other side (so remain 6 next)
 11)  movsx   eax, al
 12)  imul    eax, edx                 ; reuse register previously loaded
 13)  mov     DWORD PTR y[rip], eax

现在换一种选择:

const int f0=S.f0,f1=S.f1;
x=f0*f0;
y=f0*f1;

你会得到 following code :

  1)  movzx   eax, BYTE PTR S[rip]
  8)  movzx   edx, WORD PTR S[rip]   ; but in another register
  2)  sal     eax, 2
  9)  sal     edx, 4                 ; but other register
  3)  sar     al, 2
 10)  sar     dx, 10                 ; but other register
  4)  movsx   eax, al
 11)  movsx   edx, dl                ; but other register
  5)  mov     ecx, eax               ; but other register
  6)  imul    ecx, eax               ; but other register
 12)  imul    eax, edx
  7)  mov     DWORD PTR x[rip], ecx  ; but other register
 13)  mov     DWORD PTR y[rip], eax

其他实验表明，循环优化也是如此:编译器能够从循环中提取位域访问代码，并多次重复使用提取的值。

提示:为了测试，考虑到优化器的能力，你需要做一些小技巧，这样你的测试代码就不会得到优化。为此，我将 x 和 y 设置为易变的(以便在从未使用该值的情况下将它们写入事件)。我还用一个不存在的外部函数初始化了结构，这样编译器就不能进行常量传播。

当然，只有当编译器确定 S 在连续的表达式之间没有变化时，这才是正确的。如果编译器不能假定(例如，您使用引用或指向 S 的指针调用函数)，则它必须每次都重新加载 S.fx，这使得它比初始加载到 const 值更慢。