assembly - 零分配与异或，第二个真的更快吗？

Question

几年前有人向我展示了以下将变量清零的命令。

xor i,i

他告诉我，这比为它分配零要快。
是真的吗
编译器是否进行优化以使代码执行此类操作？

Answer 1

您可以自己尝试一下以查看答案：

  movl $0,%eax
  xor %eax,%eax

组装然后拆卸：

as xor.s -o xor.o
objdump -D xor.o

并得到

   0:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
   5:   31 c0                   xor    %eax,%eax

用于32位寄存器的mov指令要大2.5倍，从ram加载所需的时间更长，并且会占用更多的缓存空间。早在加载时间就是杀手kill的今天，今天的存储周期时间和缓存空间可能并不那么引人注目，但是如果您的编译器和/或代码经常这样做，您会发现缓存丢失空间和/或更多驱逐，以及更多，较慢的系统内存周期。

在现代CPU中，较大的代码大小也会降低解码器的速度，可能会阻止它们在每个周期内解码最大数量的x86指令。 （例如，某些CPU在16B块中最多包含4条指令。）

也有 performance advantages to xor over mov in some x86 CPUs (especially Intel's) that have nothing to do with code-size，因此x86汇编中总是首选xor-zeroing。



另一组实验：

void fun1 ( unsigned int *a )
{
    *a=0;
}
unsigned int fun2 ( unsigned int *a, unsigned int *b )
{
    return(*a^*b);
}
unsigned int fun3 ( unsigned int a, unsigned int b )
{
    return(a^b);
}


0000000000000000 <fun1>:
   0:   c7 07 00 00 00 00       movl   $0x0,(%rdi)
   6:   c3                      retq   
   7:   66 0f 1f 84 00 00 00    nopw   0x0(%rax,%rax,1)
   e:   00 00 

0000000000000010 <fun2>:
  10:   8b 06                   mov    (%rsi),%eax
  12:   33 07                   xor    (%rdi),%eax
  14:   c3                      retq   
  15:   66 66 2e 0f 1f 84 00    nopw   %cs:0x0(%rax,%rax,1)
  1c:   00 00 00 00 

0000000000000020 <fun3>:
  20:   89 f0                   mov    %esi,%eax
  22:   31 f8                   xor    %edi,%eax
  24:   c3                      retq   

沿着显示您的问题可能导致的变量xor i，i的路径走下去。由于您未指定要使用的处理器或上下文，因此很难描绘出整个画面。例如，如果您正在谈论C代码，则必须了解编译器对该代码的处理方式，这在很大程度上取决于函数本身中的代码，如果在执行xor时，编译器在寄存器中具有操作数，并且取决于在编译器设置上，您可能会得到xor eax，eax。或编译器可以选择将其更改为mov reg，0，或将something = 0更改；到xor reg，reg。

还有更多需要考虑的序列：

如果变量的地址已经在寄存器中：

   7:   c7 07 00 00 00 00       movl   $0x0,(%rdi)

   d:   8b 07                   mov    (%rdi),%eax
   f:   31 c0                   xor    %eax,%eax
  11:   89 07                   mov    %eax,(%rdi)

编译器将选择mov zero而不是xor。如果您尝试以下C代码，将会得到以下结果：

void funx ( unsigned int *a )
{
    *a=*a^*a;
}

编译器将其替换为零。提取了相同数量的字节，但是需要访问两个内存而不是一个，并且烧掉了一个寄存器。和三个要执行的指令，而不是一个。因此，零位移动明显更好。

现在，如果它是字节大小并在寄存器中：

13: b0 00                   mov    $0x0,%al
15: 30 c0                   xor    %al,%al

代码大小没有区别。 （但是它们的执行方式仍然不同）。



现在，如果您正在谈论另一个处理器，那么可以说ARM

   0:   e3a00000    mov r0, #0
   4:   e0200000    eor r0, r0, r0
   8:   e3a00000    mov r0, #0
   c:   e5810000    str r0, [r1]
  10:   e5910000    ldr r0, [r1]
  14:   e0200000    eor r0, r0, r0
  18:   e5810000    str r0, [r1]

您不会通过使用xor（独占或eor）来保存任何内容：一条指令就是一条已获取并执行的指令。如果您将变量的地址保存在寄存器中，则可以像处理任何处理器一样对ram中的内容进行异或。如果您必须将数据复制到另一个寄存器以执行“异或”操作，那么最终仍然会有两个存储器访问和三个指令。如果您有一个可以执行内存存储操作的处理器，则零移动会更便宜，因为根据处理器的不同，您只有一个内存访问权限和一两个指令。

实际上，这比这更糟：由于内存排序规则， eor r0, r0, r0是 required to have an input dependency on r0（限制无序执行）。 Xor调零总是产生零，但仅有助于x86汇编的性能。



因此，最重要的是，如果您要在x86系统上的汇编程序中谈论寄存器（从8088到现在），则xor通常会更快，因为指令更小，获取速度更快，如果有一条指令则需要更少的缓存，而留下更多的缓存同样，要求在指令中将零编码的非x86可变指令长度处理器也将需要更长的指令，更长的获取时间，如果有缓存则消耗更多的缓存等。因此，xor为更快（通常取决于它的编码方式）。如果您有条件标志，并且希望将move / xor设置为零标志，那就更糟了，您可能必须刻录正确的指令（在某些处理器上，mov不会更改标志）。一些处理器具有特殊的零寄存器，这不是通用的，当您使用它时会得到零，这样您就可以编码这种非常常见的用例，而不会消耗更多的指令空间或燃烧额外的指令周期，将零立即数加载到寄存器中。例如，以msp430为例，移动0x1234将花费您两个字的指令，但是移动0x0000或0x0001以及其他一些常量可以编码为单个指令字。如果您正在谈论ram中的变量，则所有处理器都会受到双重打击，两次读取-修改-写入不计取指令的内存周期，并且如果读取导致高速缓存行填充，情况会更糟（然后写入速度非常快），但如果不进行读取操作，则仅写操作可能会在高速缓存中直接通过并执行得非常快，因为在并行执行写入操作时处理器可以继续运行（有时您会获得性能提升，有时不会，如果您进行调优，通常会获得这种性能提升）为了它）。 x86和可能更旧的处理器是您看到异或而不是移零的习惯的原因。对于那些特定的优化来说，今天的性能提升仍然存在，系统内存仍然极慢，并且任何额外的内存周期都非常昂贵，同样，丢弃的任何高速缓存也很昂贵。中途的编译器，即使是gcc，也将检测到xor i，i等于i = 0，并根据具体情况选择更好的指令序列（在平均系统上）。

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