在不同优化级别访问gcc/g++中的局部变量与全局变量的速度

我发现，当访问循环中的局部或全局变量时，gcc中不同的编译器优化级别会给出截然不同的结果。这让我感到惊讶的原因是，如果对一种类型的变量的访问比对另一种类型变量的访问更优化，我认为gcc优化会利用这一事实。以下是两个例子(在C++中，但它们的C对应程序给出的时间实际上相同(：

    global = 0;
    for (int i = 0; i < SIZE; i++)
        global++;

使用全局变量long global与

    long tmp = 0;
    for (int i = 0; i < SIZE; i++)
        tmp++;
    global = tmp;

在优化级别-O0时，时间基本相等(正如我所期望的(，在-O1时，时间稍快，但仍然相等，但从-O2开始，使用全局变量的版本要快得多(因子7左右(。

另一方面，在以下代码片段中，起始点指向大小为size:的字节块

    global = 0;
    for (const char* p = start; p < start + SIZE; p++)
        global += *p;

与

    long tmp = 0;
    for (const char* p = start; p < start + SIZE; p++)
        tmp += *p;
    global = tmp;

在-O0时，时间很接近，尽管使用局部变量的版本稍微快一点，这似乎并不太令人惊讶，因为它可能会存储在寄存器中，而global不会。然后，在-O1及更高的情况下，使用局部变量的版本要快得多(超过50%或1.5倍(。如前所述，这让我很惊讶，因为我认为对于gcc，稍后使用局部变量(在生成的优化代码中(分配给全局变量对我来说会很容易。

所以我的问题是：全局和局部变量是什么使得gcc只能对一种类型执行某些优化，而不能对另一种类型进行某些优化？

一些可能相关也可能不相关的细节：我在一台运行RHEL4的机器上使用了gcc/g++版本3.4.5，该机器有两个单核处理器和4GB RAM。SIZE是一个预处理器宏，我使用的值是1000000000。第二个例子中的字节块是动态分配的。

以下是优化级别0到4的一些定时输出(与上面的顺序相同(：

$ ./st0
Result using global variable: 1000000000 in 2.213 seconds.
Result using local variable:  1000000000 in 2.210 seconds.
Result using global variable: 0 in 3.924 seconds.
Result using local variable:  0 in 3.710 seconds.
$ ./st1
Result using global variable: 1000000000 in 0.947 seconds.
Result using local variable:  1000000000 in 0.947 seconds.
Result using global variable: 0 in 2.135 seconds.
Result using local variable:  0 in 1.212 seconds.
$ ./st2
Result using global variable: 1000000000 in 0.022 seconds.
Result using local variable:  1000000000 in 0.552 seconds.
Result using global variable: 0 in 2.135 seconds.
Result using local variable:  0 in 1.227 seconds.
$ ./st3
Result using global variable: 1000000000 in 0.065 seconds.
Result using local variable:  1000000000 in 0.461 seconds.
Result using global variable: 0 in 2.453 seconds.
Result using local variable:  0 in 1.646 seconds.
$ ./st4
Result using global variable: 1000000000 in 0.063 seconds.
Result using local variable:  1000000000 in 0.468 seconds.
Result using global variable: 0 in 2.467 seconds.
Result using local variable:  0 in 1.663 seconds.

编辑这是为带有开关-O2的前两个片段生成的程序集，在这种情况下差异最大。据我所知，这看起来像是编译器中的一个错误：0x3b9aca00是十六进制的SIZE，0x80496dc必须是全局的地址。我用一个新的编译器检查过，这种情况不再发生了。然而，第二对片段中的差异是相似的。

    void global1()
    {
        int i;
        global = 0;
        for (i = 0; i < SIZE; i++)
            global++;
    }
    void local1()
    {
        int i;
        long tmp = 0;
        for (i = 0; i < SIZE; i++)
            tmp++;
        global = tmp;
    }
    080483d0 <global1>:
     80483d0:   55                      push   %ebp
     80483d1:   89 e5                   mov    %esp,%ebp
     80483d3:   c7 05 dc 96 04 08 00    movl   $0x0,0x80496dc
     80483da:   00 00 00 
     80483dd:   b8 ff c9 9a 3b          mov    $0x3b9ac9ff,%eax
     80483e2:   89 f6                   mov    %esi,%esi
     80483e4:   83 e8 19                sub    $0x19,%eax
     80483e7:   79 fb                   jns    80483e4 <global1+0x14>
     80483e9:   c7 05 dc 96 04 08 00    movl   $0x3b9aca00,0x80496dc
     80483f0:   ca 9a 3b 
     80483f3:   c9                      leave  
     80483f4:   c3                      ret    
     80483f5:   8d 76 00                lea    0x0(%esi),%esi
    080483f8 <local1>:
     80483f8:   55                      push   %ebp
     80483f9:   89 e5                   mov    %esp,%ebp
     80483fb:   b8 ff c9 9a 3b          mov    $0x3b9ac9ff,%eax
     8048400:   48                      dec    %eax
     8048401:   79 fd                   jns    8048400 <local1+0x8>
     8048403:   c7 05 dc 96 04 08 00    movl   $0x3b9aca00,0x80496dc
     804840a:   ca 9a 3b 
     804840d:   c9                      leave  
     804840e:   c3                      ret    
     804840f:   90                      nop    

最后是剩余片段的代码，现在由gcc 4.3.3使用-O3生成(尽管旧版本似乎生成了类似的代码(。看起来global2(..(在循环的每一次迭代中都会编译成一个访问全局内存位置的函数，其中local2(.(使用一个寄存器。我仍然不清楚为什么gcc无论如何都不会使用寄存器来优化全局版本。这只是一个缺乏的功能，还是真的会导致可执行文件的不可接受的行为？

    void global2(const char* start)
    {
        const char* p;
        global = 0;
        for (p = start; p < start + SIZE; p++)
            global += *p;
    }
    void local2(const char* start)
    {
        const char* p;
        long tmp = 0;
        for (p = start; p < start + SIZE; p++)
            tmp += *p;
        global = tmp;
    }
    08048470 <global2>:
     8048470:   55                      push   %ebp
     8048471:   31 d2                   xor    %edx,%edx
     8048473:   89 e5                   mov    %esp,%ebp
     8048475:   8b 4d 08                mov    0x8(%ebp),%ecx
     8048478:   c7 05 24 a0 04 08 00    movl   $0x0,0x804a024
     804847f:   00 00 00 
     8048482:   8d b6 00 00 00 00       lea    0x0(%esi),%esi
     8048488:   0f be 04 11             movsbl (%ecx,%edx,1),%eax
     804848c:   83 c2 01                add    $0x1,%edx
     804848f:   01 05 24 a0 04 08       add    %eax,0x804a024
     8048495:   81 fa 00 ca 9a 3b       cmp    $0x3b9aca00,%edx
     804849b:   75 eb                   jne    8048488 <global2+0x18>
     804849d:   5d                      pop    %ebp
     804849e:   c3                      ret    
     804849f:   90                      nop    
    080484a0 <local2>:
     80484a0:   55                      push   %ebp
     80484a1:   31 c9                   xor    %ecx,%ecx
     80484a3:   89 e5                   mov    %esp,%ebp
     80484a5:   31 d2                   xor    %edx,%edx
     80484a7:   53                      push   %ebx
     80484a8:   8b 5d 08                mov    0x8(%ebp),%ebx
     80484ab:   90                      nop    
     80484ac:   8d 74 26 00             lea    0x0(%esi,%eiz,1),%esi
     80484b0:   0f be 04 13             movsbl (%ebx,%edx,1),%eax
     80484b4:   83 c2 01                add    $0x1,%edx
     80484b7:   01 c1                   add    %eax,%ecx
     80484b9:   81 fa 00 ca 9a 3b       cmp    $0x3b9aca00,%edx
     80484bf:   75 ef                   jne    80484b0 <local2+0x10>
     80484c1:   5b                      pop    %ebx
     80484c2:   89 0d 24 a0 04 08       mov    %ecx,0x804a024
     80484c8:   5d                      pop    %ebp
     80484c9:   c3                      ret    
     80484ca:   8d b6 00 00 00 00       lea    0x0(%esi),%esi

谢谢。