为什么clang和gcc在循环中重复代码和分支与无条件跳转

Why do clang and gcc duplicate code and branch vs unconditional jump inside loop?

本文关键字：分支 代码 无条件 gcc clang 循环 为什么      更新时间：2023-10-16

为什么编译器似乎更喜欢将预测试循环优化为检查、条件跳转，然后优化为do-while结构，而不是在do-whil循环内进行无条件跳转？

我写了一个函数，它是用我描述的第二种风格编写的，但g++和clang都撤消了它，并将它转换为方法一。https://godbolt.org/g/2Dvudi

我很困惑，因为编译器似乎为预测试复制了很多指令(在这个例子中可能没有那么多)。此外，它无论如何都可能进行跳跃(尽管可能静态预测不会进行，在一般情况下也没什么大不了的)，那么为什么不总是进行无条件跳跃呢？

我对此有一个想法，但它并不强烈支持这两种方法：
循环想要对齐，所以可能有空间在不浪费空间的情况下提前复制一些指令，因为它们会被nop填充。然而，clang和gcc都会为预测试发出超过16字节的代码，然后插入一个大的nop。

编辑：这是来自godbolt链接的代码：

typedef unsigned char uchar;
unsigned my_atoi(const uchar *p)//sentinel at end
{
unsigned acm=0u;
unsigned d;
goto LEnter;
do{
acm =  acm*10u + d;
LEnter:
d = *p++ - '0';
}while (d<10u);
return acm;
}

clang 5.0 at-O2发射：

my_atoi(unsigned char const*):                          # @my_atoi(unsigned char const*)
movzx   ecx, byte ptr [rdi]
add     ecx, -48
xor     eax, eax
cmp     ecx, 9
ja      .LBB0_3
inc     rdi
xor     eax, eax
.LBB0_2:                                # =>This Inner Loop Header: Depth=1
lea     eax, [rax + 4*rax]
lea     eax, [rcx + 2*rax]
movzx   ecx, byte ptr [rdi]
add     ecx, -48
inc     rdi
cmp     ecx, 10
jb      .LBB0_2
.LBB0_3:
ret

引用相关优化过程的GCC来源的一些评论。

如果循环的标头足够小，则复制它们，以便语句在进入循环时，总是执行循环主体中的。这提高了代码运动优化的有效性，并减少了需求用于环路预处理。

也就是说，如果后面的过程找到了一些循环不变的代码，他们将有一个地方可以将代码移动到那里，而无需添加检查循环是否会迭代。

对于所有循环，复制前面循环体末尾的条件循环的。这是有益的，因为它提高了代码运动优化。它还可以在进入循环时保存一次跳转。

初始化d并删除goto使其不再奇怪。

typedef unsigned char uchar;
unsigned my_atoi(const uchar *p) {//sentinel at end
unsigned acm=0u;
unsigned d=0; // initialized
//  goto LEnter;
do{
acm =  acm*10u + d;
//  LEnter:
d = *p++ - '0';
}while (d<10u);
return acm;
}

xor    eax,eax // acm=0
xor    ecx,ecx // d=0
data16 data16 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0] // nops, aligns to 16 bytes
lea    eax,[rax+rax*4] // *5
lea    eax,[rcx+rax*2] // *2+d
movzx  ecx,BYTE PTR [rdi] // d=*p
inc    rdi // p++
add    ecx,0xffffffd0 // d-'0'
cmp    ecx,0xa // d<10
jb     4004e0 <my_atoi(unsigned char const*)+0x10>
ret    
data16 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
main:
xor    eax,eax
ret    
nop    WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
nop    DWORD PTR [rax]

因此，编译器加倍检查的原因是，您会跳转到一个不对齐的代码中。中央循环看起来足够小，可以放在CPU的循环缓冲区中，但跳到中间可能会污染循环缓冲区。

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