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该实验是使用GCC 6.3完成的。有两个函数,唯一的区别在于我们在结构中分配i32和i16的顺序。我们假设这两个函数应该产生相同的程序集。然而,这种情况并非如此。 “不良”功能会产生更多指令。谁能解释为什么会这样?
#include <inttypes.h>
union pack {
struct {
int32_t i32;
int16_t i16;
};
void *ptr;
};
static_assert(sizeof(pack)==8, "what?");
void *bad(const int32_t i32, const int16_t i16) {
pack p;
p.i32 = i32;
p.i16 = i16;
return p.ptr;
}
void *good(const int32_t i32, const int16_t i16) {
pack p;
p.i16 = i16;
p.i32 = i32;
return p.ptr;
}
...
bad(int, short):
movzx eax, si
sal rax, 32
mov rsi, rax
mov eax, edi
or rax, rsi
ret
good(int, short):
movzx eax, si
mov edi, edi
sal rax, 32
or rax, rdi
ret
编译器标志为-O3 -fno-rtti -std = c++ 14
最佳答案
这是/曾经在GCC10.2和更早版本中错过了优化。在当前的每晚GCC 版本中,该问题似乎已得到修复,因此无需报告GCC的bugzilla的未优化优化错误。 (https://gcc.gnu.org/bugzilla/)。看起来它最初是作为从GCC4.8到GCC4.9的回归出现的。 (Godbolt)
# GCC11-dev nightly build
# actually *better* than "good", avoiding a mov-elimination missed opt.
bad(int, short):
movzx esi, si # mov-elimination never works for 16->32 movzx
mov eax, edi # mov-elimination works between different regs
sal rsi, 32
or rax, rsi
ret
是的,只要启用了优化,或者至少希望so1 ,您通常希望C++能够以基本相同的方式实现相同的逻辑,以相同的方式编译到相同的asm。通常,您可以希望不会有无缘无故的无用优化,这些优化无缘无故浪费指令(而不是简单地选择其他实现策略),但不幸的是,这也不总是正确的。
bad
asm并没有任何“智能”,它只是在执行冗余的
mov
指令。必须接受固定寄存器的输入并在另一个特定的硬寄存器中产生输出才能满足调用约定,这是GCC的寄存器分配器不足为奇的地方:
浪费了mov
错过的优化在微型函数中比在大型函数中更常见功能。
void*
对象的高2个字节写入
pack p
中。但是用
pack p = {.ptr=0};
修复它并没有帮助。 (并且不会更改asm; GCC恰好已经将padding设为零,因为这很方便)。
bad
避免了浪费的
mov
看起来对于该策略选择是最佳的。)
mov edi,edi
defeats mov-elimination,因此该指令的周期延迟为1,而不是0,并消耗了后端µop。选择一个不同的寄存器进行零扩展将更便宜。读完SI之后,我们甚至可以选择RSI,但是任何 call 密集的寄存器都可以使用。
hand_written:
movzx eax, si # 16->32 can't be eliminated, only 8->32 and 32->32 mov
shl rax, 32
mov ecx, edi # zero-extend into a different reg with 0 latency
or rax, rcx
ret
或者,如果在Intel上针对代码大小或吞吐量进行了优化(低µop计数,而不是低延迟),则
shld
是一个选项:Intel上为1 µop / 3c延迟,而Zen上为6 µops(尽管也是3c延迟)。 (
https://uops.info/和
https://agner.org/optimize/)
minimal_uops_worse_latency: # also more uops on AMD.
movzx eax, si
shl rdi, 32 # int32 bits to the top of RDI
shld rax, rdi, 32 # shift the high 32 bits of RDI into RAX.
ret
如果以另一种方式对结构进行了排序(中间有填充),则可以执行涉及
mov ax, si
的操作以合并到RAX中。这对于非英特尔公司以及在Haswell及更高版本上可能是有效的,后者除了AH之类的高8位寄存器外,不进行部分寄存器重命名。
ret
或
ud2
。或略微降低攻击性,您可以对其进行编译以仅为结构的填充部分(最后2个字节)留下垃圾。
high_garbage:
shl rsi, 32 # leaving high garbage = incoming high half of ESI
mov eax, edi # zero-extend into RAX
or rax, rsi
ret
请注意,x86-64系统V ABI((实际上依赖于此)的非官方扩展是将窄args符号扩展或零扩展为32位。因此,指针的高2个字节将代替符号位,而不是零。 (实际上可以保证它是x86-64上的规范48位虚拟地址!)
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