優(yōu)化C代碼中的環(huán)路終止

循環(huán)是大多數(shù)程序中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。由于大量的執(zhí)行時(shí)間通?；ㄙM(fèi)在循環(huán)中，因此值得關(guān)注時(shí)間關(guān)鍵循環(huán)。

如果不謹(jǐn)慎地編寫，環(huán)路終止條件可能會(huì)導(dǎo)致大量開(kāi)銷。在可能的情況下：

• 使用簡(jiǎn)單的終止條件。

• 寫入倒計(jì)時(shí)到零循環(huán)。

• 使用?unsigned int?類型的計(jì)數(shù)器。

• 測(cè)試與零的相等性。

單獨(dú)或組合遵循這些準(zhǔn)則中的任何或全部準(zhǔn)則可能會(huì)產(chǎn)生更好的代碼。

下表顯示了用于計(jì)算?n！?的例程的兩個(gè)示例實(shí)現(xiàn)，它們共同說(shuō)明了環(huán)路終止開(kāi)銷。第一個(gè)實(shí)現(xiàn)使用遞增循環(huán)計(jì)算 n！，而第二個(gè)例程使用遞減循環(huán)計(jì)算?n！。

表7-1 遞增和遞減循環(huán)的C代碼

int fact1(int n)
{
    int i, fact = 1;
    for (i = 1; i <= n; i++)
        fact *= i;
    return (fact);
}

int fact2(int n)
{
    unsigned int i, fact = 1;
    for (i = n; i != 0; i--)
        fact *= i;
    return (fact);
}

下表顯示了?armclang -Os -S --target=armv8a-arm-none-eabi?針對(duì)上述每個(gè)示例實(shí)現(xiàn)生成的機(jī)器代碼的相應(yīng)反匯編。

表 7-2 C 遞增和遞減循環(huán)的反匯編

fact1:                                  
        mov     r1, r0
        mov     r0, #1
        cmp     r1, #1
        bxlt    lr
        mov     r2, #0
.LBB0_1:                                
        add     r2, r2, #1
        mul     r0, r0, r2
        cmp     r1, r2
        bne     .LBB0_1
        bx      lr

fact2:                                  
        mov     r1, r0
        mov     r0, #1
        cmp     r1, #0
        bxeq    lr
.LBB1_1:                                
        mul     r0, r0, r1
        subs    r1, r1, #1
        bne     .LBB1_1
        bx      lr

比較反匯編表明，遞增循環(huán)反匯編中的?ADD?和?CMP?指令對(duì)已替換為遞減循環(huán)反匯編中的單個(gè)?SUBS?指令。由于?SUBS?指令更新?tīng)顟B(tài)標(biāo)志（包括 Z 標(biāo)志），因此不需要顯式?CMP r1、r2?指令。

除了在循環(huán)中保存指令外，變量?n?不必在循環(huán)的生命周期內(nèi)可用，從而減少了必須維護(hù)的寄存器數(shù)量。這簡(jiǎn)化了寄存器分配。如果原始終止條件涉及函數(shù)調(diào)用，則更為重要。例如：

for (...; i < get_limit(); ...);

將循環(huán)計(jì)數(shù)器初始化為所需迭代次數(shù)，然后遞減到零的技術(shù)也適用于?while?和?do?語(yǔ)句。

?

C 代碼中的循環(huán)展開(kāi)

循環(huán)是大多數(shù)程序中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。由于大量的執(zhí)行時(shí)間通?；ㄙM(fèi)在循環(huán)中，因此值得關(guān)注時(shí)間關(guān)鍵循環(huán)。

可以展開(kāi)小循環(huán)以獲得更高的性能，但缺點(diǎn)是代碼大小增加。展開(kāi)循環(huán)時(shí)，循環(huán)計(jì)數(shù)器需要更新的頻率較低，執(zhí)行的分支也較少。如果循環(huán)只迭代幾次，則可以完全展開(kāi)，使循環(huán)開(kāi)銷完全消失。編譯器在 -O3 -Otime?處自動(dòng)展開(kāi)循環(huán)。否則，任何展開(kāi)都必須在源代碼中完成。

注意

手動(dòng)展開(kāi)循環(huán)可能會(huì)阻礙編譯器自動(dòng)重新滾動(dòng)循環(huán)和其他循環(huán)優(yōu)化。

可以使用下表中所示的兩個(gè)示例例程來(lái)說(shuō)明循環(huán)展開(kāi)的優(yōu)缺點(diǎn)。這兩個(gè)例程都通過(guò)提取最低位并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)有效地測(cè)試單個(gè)位，然后將該位移出。

第一種實(shí)現(xiàn)使用循環(huán)來(lái)計(jì)算位數(shù)。第二個(gè)例程是第一個(gè)展開(kāi)四次的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)將?n?的四個(gè)班次合并為一個(gè)班次來(lái)應(yīng)用優(yōu)化。

頻繁展開(kāi)提供了新的優(yōu)化機(jī)會(huì)。

表 7-3 滾動(dòng)和展開(kāi)位計(jì)數(shù)循環(huán)的 C 代碼

int countbit1(unsigned int n)
{
    int bits = 0;
    while (n != 0)
    {
        if (n & 1) bits++;
        n >>= 1;
    }
    return bits;
}

int countbit2(unsigned int n)
{
    int bits = 0;
    while (n != 0)
    {
        if (n & 1) bits++;
        if (n & 2) bits++;
        if (n & 4) bits++;
        if (n & 8) bits++;
        n >>= 4;
    }
    return bits;
}

下表顯示了編譯器為上述每個(gè)示例實(shí)現(xiàn)生成的機(jī)器代碼的相應(yīng)反匯編，其中每個(gè)實(shí)現(xiàn)的 C 代碼已使用?armclang -Os -S --target=armv8a-arm-none-eabi?編譯。

表7-4 滾動(dòng)和展開(kāi)的位計(jì)數(shù)循環(huán)的反匯編

countbit1:                              
        mov     r1, r0
        mov     r0, #0
        cmp     r1, #0
        bxeq    lr
        mov     r2, #0
.LBB0_1:                                
        and     r3, r1, #1
        cmp     r2, r1, lsr #1
        add     r0, r0, r3
        lsr     r3, r1, #1
        mov     r1, r3
        bne     .LBB0_1
        bx      lr

countbit2:                              
        mov     r1, r0
        mov     r0, #0
        cmp     r1, #0
        bxeq    lr
        mov     r2, #0
.LBB1_1:                                
        and     r3, r1, #1
        cmp     r2, r1, lsr #4
        add     r0, r0, r3
        ubfx    r3, r1, #1, #1
        add     r0, r0, r3
        ubfx    r3, r1, #2, #1
        add     r0, r0, r3
        ubfx    r3, r1, #3, #1
        add     r0, r0, r3
        lsr     r3, r1, #4
        mov     r1, r3
        bne     .LBB1_1
        bx      lr

位計(jì)數(shù)循環(huán)的展開(kāi)版本比原始版本更快，但代碼大小更大。

?

編譯器優(yōu)化和 volatile 關(guān)鍵字

較高的優(yōu)化級(jí)別可以揭示某些程序中的問(wèn)題，這些問(wèn)題在較低的優(yōu)化級(jí)別下并不明顯，例如，缺少易失性限定符。

這可以通過(guò)多種方式表現(xiàn)出來(lái)。輪詢硬件時(shí)，代碼可能會(huì)卡在循環(huán)中，多線程代碼可能會(huì)表現(xiàn)出奇怪的行為，或者優(yōu)化可能會(huì)導(dǎo)致刪除實(shí)現(xiàn)故意計(jì)時(shí)延遲的代碼。在這種情況下，可能需要將某些變量聲明為可變變量。

將變量聲明為?volatile?告訴編譯器，該變量可以在實(shí)現(xiàn)外部隨時(shí)修改，例如，由操作系統(tǒng)、另一個(gè)執(zhí)行線程（如中斷例程或信號(hào)處理程序）或硬件進(jìn)行修改。由于可變限定變量的值可以隨時(shí)更改，因此每當(dāng)在代碼中引用該變量時(shí)，都必須始終訪問(wèn)內(nèi)存中的實(shí)際變量。這意味著編譯器無(wú)法對(duì)變量執(zhí)行優(yōu)化，例如，將其值緩存在寄存器中以避免內(nèi)存訪問(wèn)。同樣，在實(shí)現(xiàn)睡眠或計(jì)時(shí)器延遲的上下文中使用時(shí)，將變量聲明為可變變量會(huì)告訴編譯器有特定類型的行為是有意的，并且此類代碼不得以刪除預(yù)期功能的方式進(jìn)行優(yōu)化。

相反，當(dāng)變量未聲明為可變變量時(shí)，編譯器可以假定其值不能以意外方式修改。因此，編譯器可以對(duì)變量執(zhí)行優(yōu)化。

下表中的兩個(gè)示例例程說(shuō)明了?volatile?關(guān)鍵字的用法。這兩個(gè)例程都在循環(huán)中讀取緩沖區(qū)，直到狀態(tài)標(biāo)志?buffer_full?設(shè)置為 true。buffer_full的狀態(tài)可以隨程序流異步更改。

例程的兩個(gè)版本僅在聲明buffer_full的方式上有所不同。第一個(gè)例程版本不正確。請(qǐng)注意，變量?buffer_full?在此版本中未限定為?volatile。相比之下，例程的第二個(gè)版本顯示了相同的循環(huán)，其中buffer_full被正確地限定為易失性。

表 7-5 非易失性和易失性緩沖器環(huán)路的 C 代碼

int buffer_full;
int read_stream(void)
{
    int count = 0;
    while (!buffer_full)
    {
        count++;
    }
    return count;
}

volatile int buffer_full;
int read_stream(void)
{
    int count = 0;
    while (!buffer_full)
    {
        count++;
    }
    return count;
}

下表顯示了編譯器為上述每個(gè)示例生成的機(jī)器代碼的相應(yīng)反匯編，其中每個(gè)實(shí)現(xiàn)的 C 代碼已使用?armclang -Os -S --target=armv8a-arm-none-eabi?進(jìn)行編譯。

表7-6 非易失性和易失性緩沖器環(huán)路的反匯編

read_stream:                            
        movw    r0, :lower16:buffer_full
        movt    r0, :upper16:buffer_full
        ldr     r1, [r0]
        mvn     r0, #0
.LBB0_1:                                
        add     r0, r0, #1
        cmp     r1, #0
        beq     .LBB0_1     ; infinite loop
        bx      lr

read_stream:                            
        movw    r1, :lower16:buffer_full
        mvn     r0, #0
        movt    r1, :upper16:buffer_full
.LBB1_1:                                
        ldr     r2, [r1]     ; buffer_full
        add     r0, r0, #1
        cmp     r2, #0
        beq     .LBB1_1
        bx      lr

在上表中緩沖環(huán)路的非易失性版本的反匯編中，語(yǔ)句 LDR r1?[r0]?將?buffer_full?的值加載到寄存器?r1?外部標(biāo)記為?.LBB0_1。由于?buffer_full?未聲明為易失性，因此編譯器假定其值不能在程序外部修改。編譯器已將?buffer_full?的值讀入?r0?中，因此在啟用優(yōu)化時(shí)會(huì)省略重新加載變量，因?yàn)槠渲禑o(wú)法更改。結(jié)果是標(biāo)記為 的無(wú)限循環(huán)。LBB0_1。

相反，在反匯編緩沖區(qū)循環(huán)的易失性版本時(shí)，編譯器假定?buffer_full?的值可以在程序外部更改，并且不執(zhí)行任何優(yōu)化。因此，buffer_full?的值被加載到寄存器?r2?中，該寄存器位于標(biāo)記為?的循環(huán)中。LBB1_1。因此，循環(huán)?.LBB1_1在匯編代碼中正確實(shí)現(xiàn)。

為了避免由實(shí)現(xiàn)外部的程序狀態(tài)更改引起的優(yōu)化問(wèn)題，每當(dāng)變量的值可能以實(shí)現(xiàn)未知的方式意外更改時(shí)，就必須將變量聲明為可變變量。

在實(shí)踐中，每當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，都必須將變量聲明為可變變量：

• 訪問(wèn)內(nèi)存映射的外圍設(shè)備。

• 在多個(gè)線程之間共享全局變量。

• 訪問(wèn)中斷例程或信號(hào)處理程序中的全局變量。

編譯器不會(huì)優(yōu)化已聲明為可變變量的變量。

?

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C 代碼中的整數(shù)除以零錯(cuò)誤

對(duì)于不支持?SDIV?除法指令的目標(biāo)，可以使用相應(yīng)的 C 庫(kù)輔助函數(shù) __aeabi_idiv0（） 和?__rt_raise（）?捕獲和識(shí)別整數(shù)除以零錯(cuò)誤

關(guān)于使用 __aeabi_idiv0（） 捕獲整數(shù)除以零錯(cuò)誤

您可以使用 C 庫(kù)輔助函數(shù)?__aeabi_idiv0（）?捕獲整數(shù)除以零錯(cuò)誤，以便除以零返回一些標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，例如零。

整數(shù)除法是通過(guò) C 庫(kù)輔助函數(shù) __aeabi_idiv（） 和?__aeabi_uidiv（）?在代碼中實(shí)現(xiàn)的。這兩個(gè)函數(shù)都檢查除以零。

當(dāng)檢測(cè)到整數(shù)除以零時(shí)，將創(chuàng)建?__aeabi_idiv0（）?的分支。因此，要將除法捕獲為零，只需在?__aeabi_idiv0（）?上放置一個(gè)斷點(diǎn)。

該庫(kù)提供了?__aeabi_idiv0（）?的兩種實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)值不執(zhí)行任何操作，因此如果檢測(cè)到除以零，則除法函數(shù)返回零。但是，如果使用信號(hào)處理，則會(huì)選擇調(diào)用?__rt_raise（SIGFPE， DIVBYZERO）?的替代實(shí)現(xiàn)。

如果您提供自己的?__aeabi_idiv0（）?版本，則除法函數(shù)將調(diào)用此函數(shù)。__aeabi_idiv0（）?的函數(shù)原型為：

int __aeabi_idiv0(void);

如果?__aeabi_idiv0（）?返回一個(gè)值，則該值用作除法函數(shù)返回的商。

關(guān)于使用 __rt_raise（） 捕獲整數(shù)除以零錯(cuò)誤

默認(rèn)情況下，整數(shù)除以零返回零。如果要截獲除以零，可以重新實(shí)現(xiàn) C 庫(kù)輔助函數(shù)?__rt_raise（）。

__rt_raise（）?的函數(shù)原型為：

void __rt_raise(int signal, int type);

如果重新實(shí)現(xiàn)?__rt_raise（），則庫(kù)會(huì)自動(dòng)提供?__aeabi_idiv0（） 的信號(hào)處理庫(kù)版本，該版本調(diào)用?__rt_raise（），則該庫(kù)版本的?__aeabi_idiv0（）?將包含在最終映像中。

在這種情況下，當(dāng)發(fā)生除以零錯(cuò)誤時(shí)，__aeabi_idiv0（）?調(diào)用?__rt_raise（SIGFPE， DIVBYZERO）。因此，如果重新實(shí)現(xiàn)?__rt_raise（），則必須選中?（signal == SIGFPE） & （type == DIVBYZERO）?以確定是否發(fā)生了除以零的情況。

識(shí)別 C 代碼中的整數(shù)除以零錯(cuò)誤

進(jìn)入?__aeabi_idiv0（） 時(shí)，鏈路寄存器?LR?包含應(yīng)用程序代碼中調(diào)用?__aeabi_uidiv（）?除法例程后的指令地址。

通過(guò)在調(diào)試器中查找?LR?給出的地址處的 C 代碼行，可以識(shí)別源代碼中的違規(guī)行。

?

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