c - 同一个C程序的三个版本，为什么第一个这么快？

Question

这是一个非常简单的 C 程序:

int main()
{
    int n = 0;

    while(n != 1000000000){
        n += 1;
    }

return n;

}

我用 Clang 编译了它并对其进行了计时。它在 4.711095243692398e-06 秒或 0.000004711095243692398 秒内运行。

接下来，我使用 Godbolt 编译器资源管理器 (https://godbolt.org) 将 C 程序输出为英特尔语法汇编语言，以删除 .cfi 指令:

.file   "Svx.c"
.intel_syntax noprefix
.text
.globl  main
.type   main, @function
main:
    push    rbp
    mov rbp, rsp
    mov DWORD PTR -4[rbp], 0
    jmp .L2
.L3:
    add DWORD PTR -4[rbp], 1
.L2:
    cmp DWORD PTR -4[rbp], 1000000000
    jne .L3
    mov eax, DWORD PTR -4[rbp]
    pop rbp
    ret
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1) 7.4.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

我用 GCC 编译它并计时。结果是 1.96 秒——比 Clang 版本慢得多。

最后，我创建了自己的汇编版本:

[BITS 64]
[default rel]

global main:function

section .data align=16

section .text

main:
xor rax,rax
l_01:
cmp rax,1000000000
je l_02
add rax,5
jmp l_01
l_02:
ret

我用 nasm 编译它并用 ld 链接它:

sudo nasm -felf64 Svx.asm

sudo ld -shared Svx.o -o Svx.so

并计时。它在 0.14707629615440965 秒内运行。

如果反向编译版本运行速度慢得多(0.0000047 秒 vs 1.96 秒)而我的 NASM 版本运行在 中，为什么 C 版本运行得如此之快0.147 秒？我感觉 C 版本在 0.0000047 秒的结果是错误的；这似乎快得不可思议。这是它对汇编语言的 Clang 输出:

    .text
    .intel_syntax noprefix
    .file   "Svx.c"
    .globl  main                     # -- Begin function main
    .p2align    4, 0x90
    .type   main,@function
main:                                    # @main
    .cfi_startproc
# %bb.0:
    push    rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset rbp, -16
    mov rbp, rsp
    .cfi_def_cfa_register rbp
    mov dword ptr [rbp - 4], 0
.LBB0_1:                                # =>This Inner Loop Header:     Depth=1
    cmp dword ptr [rbp - 4], 1000000000
    je  .LBB0_3
# %bb.2:                                #   in Loop: Header=BB0_1   Depth=1
    mov eax, dword ptr [rbp - 4]
    add eax, 1
    mov dword ptr [rbp - 4], eax
    jmp .LBB0_1
.LBB0_3:
    mov eax, dword ptr [rbp - 4]
    pop rbp
    .cfi_def_cfa rsp, 8
    ret
.Lfunc_end0:
    .size   main, .Lfunc_end0-main
    .cfi_endproc
                                        # -- End function
    .ident  "clang version 8.0.0-3~ubuntu18.04.1 (tags/RELEASE_800/final)"
    .section    ".note.GNU-stack","",@progbits
    .addrsig

列表显示他们使用变量堆栈，而不是寄存器，这(通常)速度较慢。

0.0000047 秒的速度，数到十亿似乎快得不可思议。如果这个速度是正确的，它的 secret 是什么？逆向工程没有揭示任何东西，事实上 Godbolt 版本要慢得多。

Answer 1

Clang 只是意识到此循环运行了 1000000000 次，并执行了相当于 return 1000000000; 的操作。

我使用 -O3 指定您正在使用的输出:

        .text
        .file   "test.c"
        .globl  main                    # -- Begin function main
        .p2align        4, 0x90
        .type   main,@function
main:                                   # @main
        .cfi_startproc
# %bb.0:
        movl    $1000000000, %eax       # imm = 0x3B9ACA00
        retq
.Lfunc_end0:
        .size   main, .Lfunc_end0-main
        .cfi_endproc
                                        # -- End function

        .ident  "clang version 8.0.0 (tags/RELEASE_800/final)"
        .section        ".note.GNU-stack","",@progbits
        .addrsig

注意 main 的内容:

# %bb.0:
        movl    $1000000000, %eax       # imm = 0x3B9ACA00
        retq

这将完全删除循环并只返回 1000000000。

解决这个问题的一个技巧是使用volatile:

int main(void)
{
    volatile int n = 0;

    while(n != 1000000000) {
        n += 1;
    }

    return n;
}

输出(同样是 -O3):

        .text
        .file   "test.c"
        .globl  main                    # -- Begin function main
        .p2align        4, 0x90
        .type   main,@function
main:                                   # @main
        .cfi_startproc
# %bb.0:
        movl    $0, -4(%rsp)
        movl    -4(%rsp), %ecx
        movl    -4(%rsp), %eax
        cmpl    $1000000000, %ecx       # imm = 0x3B9ACA00
        je      .LBB0_3
        .p2align        4, 0x90
.LBB0_1:                                # =>This Inner Loop Header: Depth=1
        addl    $1, %eax
        movl    %eax, -4(%rsp)
        movl    -4(%rsp), %ecx
        movl    -4(%rsp), %eax
        cmpl    $1000000000, %ecx       # imm = 0x3B9ACA00
        jne     .LBB0_1
.LBB0_3:
        retq
.Lfunc_end0:
        .size   main, .Lfunc_end0-main
        .cfi_endproc
                                        # -- End function

        .ident  "clang version 8.0.0 (tags/RELEASE_800/final)"
        .section        ".note.GNU-stack","",@progbits
        .addrsig