c - 为什么 GCC 会为几乎相同的 C 代码生成如此完全不同的程序集？

Question

在编写优化ftol函数时，我发现GCC 4.6.1. 让我先向您展示代码（为清楚起见，我标记了差异）：

快速截断，C：

int fast_trunc_one(int i) {
    int mantissa, exponent, sign, r;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);
    sign = i & 0x80000000;

    if (exponent < 0) {
        r = mantissa << -exponent;                       /* diff */
    } else {
        r = mantissa >> exponent;                        /* diff */
    }

    return (r ^ -sign) + sign;                           /* diff */
}

fast_trunc_two，C：

int fast_trunc_two(int i) {
    int mantissa, exponent, sign, r;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);
    sign = i & 0x80000000;

    if (exponent < 0) {
        r = (mantissa << -exponent) ^ -sign;             /* diff */
    } else {
        r = (mantissa >> exponent) ^ -sign;              /* diff */
    }

    return r + sign;                                     /* diff */
}

好像一样吧？那么GCC不同意。编译后gcc -O3 -S -Wall -o test.s test.c是汇编输出：

fast_trunc_one，生成：

_fast_trunc_one:
LFB0:
    .cfi_startproc
    movl    4(%esp), %eax
    movl    $150, %ecx
    movl    %eax, %edx
    andl    $8388607, %edx
    sarl    $23, %eax
    orl $8388608, %edx
    andl    $255, %eax
    subl    %eax, %ecx
    movl    %edx, %eax
    sarl    %cl, %eax
    testl   %ecx, %ecx
    js  L5
    rep
    ret
    .p2align 4,,7
L5:
    negl    %ecx
    movl    %edx, %eax
    sall    %cl, %eax
    ret
    .cfi_endproc

fast_trunc_two，生成：

_fast_trunc_two:
LFB1:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebx
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 3, -8
    movl    8(%esp), %eax
    movl    $150, %ecx
    movl    %eax, %ebx
    movl    %eax, %edx
    sarl    $23, %ebx
    andl    $8388607, %edx
    andl    $255, %ebx
    orl $8388608, %edx
    andl    $-2147483648, %eax
    subl    %ebx, %ecx
    js  L9
    sarl    %cl, %edx
    movl    %eax, %ecx
    negl    %ecx
    xorl    %ecx, %edx
    addl    %edx, %eax
    popl    %ebx
    .cfi_remember_state
    .cfi_def_cfa_offset 4
    .cfi_restore 3
    ret
    .p2align 4,,7
L9:
    .cfi_restore_state
    negl    %ecx
    sall    %cl, %edx
    movl    %eax, %ecx
    negl    %ecx
    xorl    %ecx, %edx
    addl    %edx, %eax
    popl    %ebx
    .cfi_restore 3
    .cfi_def_cfa_offset 4
    ret
    .cfi_endproc

这是一个极端的区别。这实际上也显示在配置文件上，fast_trunc_one比fast_trunc_two. 现在我的问题是：是什么原因造成的？

score 261 · Accepted Answer

更新以与 OP 的编辑同步

通过修改代码，我设法了解 GCC 如何优化第一种情况。

在我们了解它们为何如此不同之前，首先我们必须了解 GCC 是如何优化fast_trunc_one().

信不信由你，fast_trunc_one()正在对此进行优化：

int fast_trunc_one(int i) {
    int mantissa, exponent;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);

    if (exponent < 0) {
        return (mantissa << -exponent);             /* diff */
    } else {
        return (mantissa >> exponent);              /* diff */
    }
}

这会产生与原始程序完全相同的程序集fast_trunc_one()- 注册名称和所有内容。

请注意，在程序集中没有xors for fast_trunc_one()。这就是给我的。

怎么会这样？

第1步： sign = -sign

首先，让我们看一下sign变量。由于sign = i & 0x80000000;，只有两个可能的值sign可以取：

sign = 0
sign = 0x80000000

现在认识到，在这两种情况下，sign == -sign. 因此，当我将原始代码更改为：

int fast_trunc_one(int i) {
    int mantissa, exponent, sign, r;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);
    sign = i & 0x80000000;

    if (exponent < 0) {
        r = mantissa << -exponent;
    } else {
        r = mantissa >> exponent;
    }

    return (r ^ sign) + sign;
}

它产生与原始的完全相同的程序集fast_trunc_one()。我会省去你的程序集，但它是相同的 - 注册名称和所有。

第 2 步：数学简化：x + (y ^ x) = y

sign只能取两个值之一，0或0x80000000。

当x = 0，x + (y ^ x) = y则微不足道成立。
添加和异或是0x80000000相同的。它翻转符号位。因此x + (y ^ x) = y也成立时x = 0x80000000。

因此，x + (y ^ x)减少到y。代码简化为：

int fast_trunc_one(int i) {
    int mantissa, exponent, sign, r;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);
    sign = i & 0x80000000;

    if (exponent < 0) {
        r = (mantissa << -exponent);
    } else {
        r = (mantissa >> exponent);
    }

    return r;
}

同样，这将编译为完全相同的程序集 - 注册名称和所有。

上述版本最终简化为：

int fast_trunc_one(int i) {
    int mantissa, exponent;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);

    if (exponent < 0) {
        return (mantissa << -exponent);             /* diff */
    } else {
        return (mantissa >> exponent);              /* diff */
    }
}

这几乎正是 GCC 在程序集中生成的。

那么为什么编译器不优化fast_trunc_two()相同的东西呢？

其中的关键部分fast_trunc_one()是x + (y ^ x) = y优化。在表达式fast_trunc_two()中x + (y ^ x)被拆分跨分支。

我怀疑这可能足以让 GCC 不进行这种优化。（它需要将^ -sign分支吊出并将其合并到r + sign最后。）

例如，这会产生与以下相同的程序集fast_trunc_one()：

int fast_trunc_two(int i) {
    int mantissa, exponent, sign, r;

    mantissa = (i & 0x07fffff) | 0x800000;
    exponent = 150 - ((i >> 23) & 0xff);
    sign = i & 0x80000000;

    if (exponent < 0) {
        r = ((mantissa << -exponent) ^ -sign) + sign;             /* diff */
    } else {
        r = ((mantissa >> exponent) ^ -sign) + sign;              /* diff */
    }

    return r;                                     /* diff */
}

score 64 · Accepted Answer

这是编译器的本质。假设他们将采取最快或最好的路径，这是完全错误的。任何暗示您不需要对代码做任何事情来优化的人，因为“现代编译器”填补了空白，做最好的工作，制作最快的代码等等。实际上我看到 gcc 从 3.x 到4.x 至少在手臂上。此时，4.x 可能已经赶上了 3.x，但在早期它产生的代码较慢。通过练习，您可以学习如何编写代码，这样编译器就不必费力工作，从而产生更一致和预期的结果。

这里的错误是您对将要生产的东西的期望，而不是实际生产的东西。如果您希望编译器生成相同的输出，请为其提供相同的输入。数学上不一样，有点不一样，但实际上是一样的，没有不同的路径，没有从一个版本到另一个版本的共享或分发操作。这是一个很好的练习，可以帮助您了解如何编写代码并了解编译器如何处理它。不要错误地假设，因为某个处理器目标的一个版本的 gcc 有一天会产生某种结果，那就是所有编译器和所有代码的规则。您必须使用许多编译器和许多目标才能了解正在发生的事情。

gcc 很讨厌，我邀请你看看幕后，看看 gcc 的胆量，尝试添加一个目标或自己修改一些东西。它几乎没有被管道胶带和钢丝绳固定在一起。在关键位置添加或删除的额外代码行会崩溃。它产生了可用的代码这一事实是值得高兴的，而不是担心为什么它没有达到其他期望。

你看过哪些不同版本的 gcc 产生了吗？3.x 和 4.x 尤其是 4.5 vs 4.6 vs 4.7 等？对于不同的目标处理器、x86、arm、mips 等或不同风格的 x86，如果这是您使用的本机编译器、32 位与 64 位等？然后 llvm (clang) 用于不同的目标？

Mystical 在解决分析/优化代码问题所需的思考过程中做得非常出色，期望编译器能够提出任何“现代编译器”所不期望的任何问题。

无需进入数学属性，这种形式的代码

if (exponent < 0) {
  r = mantissa << -exponent;                       /* diff */
} else {
  r = mantissa >> exponent;                        /* diff */
}
return (r ^ -sign) + sign;                           /* diff */

将引导编译器 A：以那种形式实现它，执行 if-then-else 然后收敛于通用代码以完成并返回。或 B：保存一个分支，因为这是函数的结尾。也不用担心使用或保存 r。

if (exponent < 0) {
  return((mantissa << -exponent)^-sign)+sign;
} else {
  return((mantissa << -exponent)^-sign)+sign;
}

然后你可以进入 Mystical 指出的符号变量一起消失的代码所写的代码。我不希望编译器看到符号变量消失，所以你应该自己做，而不是强迫编译器试图弄清楚。

这是深入研究 gcc 源代码的绝佳机会。您似乎发现了一种情况，优化器在一种情况下看到一件事，然后在另一种情况下看到另一件事。然后进行下一步，看看能不能让gcc看到那个case。每个优化都在那里，因为一些个人或团体认识到优化并故意将其放在那里。每次有人必须将它放在那里（然后对其进行测试，然后将其维护到未来）时，这种优化就在那里并起作用。

绝对不要假设代码越少越快，代码越多越慢，很容易创建和找到不正确的示例。通常情况下，更少的代码比更多的代码更快。正如我从一开始就展示的那样，尽管您可以创建更多代码以在这种情况下保存分支或循环等，并让最终结果是更快的代码。

底线是您为编译器提供了不同的源并期望得到相同的结果。问题不在于编译器输出，而在于用户的期望。为特定的编译器和处理器演示是相当容易的，添加一行代码会使整个函数显着变慢。例如为什么改变 a = b + 2; 到 a = b + c + 2; 导致_fill_in_the_blank_compiler_name_ 生成完全不同且速度较慢的代码？答案当然是编译器在输入上输入了不同的代码，因此编译器生成不同的输出是完全有效的。（更好的是当您交换两行不相关的代码并导致输出发生巨大变化时）输入的复杂性和大小与输出的复杂性和大小之间没有预期的关系。

for(ra=0;ra<20;ra++) dummy(ra);

它产生了 60-100 行汇编程序。它展开了循环。我没有数行数，你想想，它必须添加，复制结果到输入到函数调用，进行函数调用，最少三个操作。所以取决于目标，可能至少有 60 条指令，如果每个循环有 4 条指令，则为 80 条，如果每个循环有 5 条，则为 100 条，等等。

score 23 · Accepted Answer

Mysticial 已经给出了很好的解释，但我想我要补充一点，FWIW，关于为什么编译器会针对其中一个而不是另一个进行优化，实际上并没有什么基本原理。

例如， LLVM 的clang编译器为两个函数提供相同的代码（函数名称除外），给出：

_fast_trunc_two:                        ## @fast_trunc_one
        movl    %edi, %edx
        andl    $-2147483648, %edx      ## imm = 0xFFFFFFFF80000000
        movl    %edi, %esi
        andl    $8388607, %esi          ## imm = 0x7FFFFF
        orl     $8388608, %esi          ## imm = 0x800000
        shrl    $23, %edi
        movzbl  %dil, %eax
        movl    $150, %ecx
        subl    %eax, %ecx
        js      LBB0_1
        shrl    %cl, %esi
        jmp     LBB0_3
LBB0_1:                                 ## %if.then
        negl    %ecx
        shll    %cl, %esi
LBB0_3:                                 ## %if.end
        movl    %edx, %eax
        negl    %eax
        xorl    %esi, %eax
        addl    %edx, %eax
        ret

这段代码不像 OP 的第一个 gcc 版本那么短，但没有第二个那么长。

来自另一个编译器（我不会命名）的代码，为 x86_64 编译，为这两个函数生成：

fast_trunc_one:
        movl      %edi, %ecx        
        shrl      $23, %ecx         
        movl      %edi, %eax        
        movzbl    %cl, %edx         
        andl      $8388607, %eax    
        negl      %edx              
        orl       $8388608, %eax    
        addl      $150, %edx        
        movl      %eax, %esi        
        movl      %edx, %ecx        
        andl      $-2147483648, %edi
        negl      %ecx              
        movl      %edi, %r8d        
        shll      %cl, %esi         
        negl      %r8d              
        movl      %edx, %ecx        
        shrl      %cl, %eax         
        testl     %edx, %edx        
        cmovl     %esi, %eax        
        xorl      %r8d, %eax        
        addl      %edi, %eax        
        ret

这很有趣，因为它计算两边，if然后在最后使用条件移动来选择正确的。

Open64 编译器生成以下内容：

fast_trunc_one: 
    movl %edi,%r9d                  
    sarl $23,%r9d                   
    movzbl %r9b,%r9d                
    addl $-150,%r9d                 
    movl %edi,%eax                  
    movl %r9d,%r8d                  
    andl $8388607,%eax              
    negl %r8d                       
    orl $8388608,%eax               
    testl %r8d,%r8d                 
    jl .LBB2_fast_trunc_one         
    movl %r8d,%ecx                  
    movl %eax,%edx                  
    sarl %cl,%edx                   
.Lt_0_1538:
    andl $-2147483648,%edi          
    movl %edi,%eax                  
    negl %eax                       
    xorl %edx,%eax                  
    addl %edi,%eax                  
    ret                             
    .p2align 5,,31
.LBB2_fast_trunc_one:
    movl %r9d,%ecx                  
    movl %eax,%edx                  
    shll %cl,%edx                   
    jmp .Lt_0_1538

和类似但不相同的代码fast_trunc_two。

无论如何，当谈到优化时，它就像一个彩票——它就是这样......要知道为什么你的代码会以任何特定的方式编译并不总是那么容易。

c - 为什么 GCC 会为几乎相同的 C 代码生成如此完全不同的程序集？

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怎么会这样？

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