编译器变量分配与对齐优化全解析

# 编译器变量分配与对齐优化全解析 ## 1. 编译器寄存器分配的局限性 编译器的寄存器分配是静态的，它在编译时通过分析源代码来决定将哪些变量放入寄存器，而非在运行时进行动态分配。编译器常常会做出一些通常正确的假设，例如“某个函数对变量 xyz 的引用远多于其他变量，所以该变量适合作为寄存器变量”。将变量放入寄存器确实能减小程序的大小，但可能存在问题。 ### 1.1 静态分配的问题 - **代码执行频率问题**：如果对变量 xyz 的所有引用都位于很少执行甚至几乎不执行的代码中，那么即使编译器通过使用寄存器指令节省了一些空间（因为访问寄存器的指令通常比访问内存的指令小），代码的运行速度也不会有明显提升。毕竟，如果代码很少或从不执行，让这部分代码运行得更快对整个程序的执行时间影响不大。 - **循环内变量引用问题**：也有可能某个变量在一个深度嵌套且执行多次的循环中只有一次引用。由于整个函数中该变量只有一次引用，编译器的优化器可能会忽略程序在运行时频繁引用该变量的事实。虽然现代编译器在处理循环内变量方面已经有所改进，但没有编译器能够预测任意循环在运行时的执行次数。 ### 1.2 人为干预的优势 人类在预测这种行为方面更有优势（或者至少可以使用性能分析器来测量），因此在寄存器变量分配方面，人类能够做出更好的决策。 ## 2. 内存中的变量对齐 在许多处理器（特别是 RISC 处理器）中，变量对齐是一个需要考虑的效率问题。 ### 2.1 处理器的访问限制 许多现代处理器不允许在内存的任意地址访问数据，所有访问必须在 CPU 支持的自然边界（通常是 4 字节）上进行。即使 CISC 处理器允许在任意字节边界进行内存访问，但访问基本对象（字节、字和双字）时，在对象大小的倍数边界上进行访问通常更高效。 ### 2.2 对齐与非对齐访问 - **非对齐访问**：如果 CPU 支持非对齐访问，即允许在不是对象基本大小倍数的边界上访问内存对象，那么可以将变量紧密地打包到活动记录中，从而使变量的偏移量尽可能小。然而，非对齐访问有时比对齐访问慢，因此许多优化编译器会在活动记录中插入填充字节，以确保所有变量都在其固有大小的合理边界上对齐。这样做是以稍微增大程序大小为代价来换取更好的性能。 - **对齐访问的优化**：如果按照双字变量、字变量、字节变量、数组/结构体变量的顺序声明变量，可以同时提高代码的速度和大小。编译器通常会确保第一个声明的局部变量出现在合理的边界（通常是双字边界）上。通过先声明所有双字变量，可以确保这些变量的地址都是 4 的倍数；第一个声明的字大小对象的地址也是 4 的倍数，这意味着它也是 2 的倍数，有利于字访问；将所有字变量一起声明，可以确保每个字变量的地址都是 2 的倍数；对于允许字节访问内存的处理器，字节变量的放置位置对字节数据的高效访问影响不大，将局部字节变量放在过程或函数的最后声明，通常可以确保这些声明不会影响双字和字变量的性能。 ### 2.3 示例代码分析 以下是两个示例函数及其对应的活动记录情况： ```c // 示例函数 1：变量按大小顺序声明 int someFunction( void ) { int d1; // Assume ints are 32-bit objects int d2; int d3; short w1; // Assume shorts are 16-bit objects short w2; char b1; // Assume chars are 8-bit objects char b2; char b3; // ... } // end someFunction ``` 在这个函数中，所有双字变量（d1、d2 和 d3）的地址都是 4 的倍数，所有字大小变量（w1 和 w2）的地址都是 2 的倍数，字节变量（b1、b2 和 b3）的地址则是任意的。 ```c // 示例函数 2：变量随机声明 int someFunction2( void ) { char b1; // Assume chars are 8-bit objects int d1; // Assume ints are 32-bit objects short w1; // Assume shorts are 16-bit objects int d2; short w2; char b2; int d3; char b3; // ... } // end someFunction2 ``` 在这个函数中，除了字节变量外，其他变量的地址都不适合其对象类型。在允许任意地址内存访问的处理器上，访问未对齐的变量可能需要更多时间。 ### 2.4 不同处理器的处理方式 - **RISC 处理器**：大多数 RISC 处理器只能在 32 位地址边界上访问内存。为了访问短整型或字节型值，一些 RISC 处理器需要软件读取一个 32 位值并从中提取 16 位或 8 位值，这会增加额外的指令和内存访问，显著降低内存访问速度。写入数据到内存时情况更糟，因为 CPU 必须先从内存中读取数据，将新数据与旧数据合并，然后再将结果写回内存。因此，大多数 RISC 编译器不会创建像示例函数 2 那样的活动记录，而是会添加填充字节，使每个内存对象的起始地址都是 4 字节的倍数。 - **CISC 处理器**：虽然在 CISC CPU 上，以未对齐的方式声明变量可能不会减慢代码的运行速度，但可能会导致额外的内存使用。许多 80x86 编译器也会构建对齐的活动记录以提高代码性能。 ### 2.5 汇编语言中的变量声明 在汇编语言中，需要根据具体处理器的要求来声明变量。以 HLA（在 80x86 上）为例，以下是不同的过程声明及其对应的活动记录情况： ```hla // 示例过程 1：变量按大小顺序声明 procedure someFunction; @nodisplay; @noalignstack; var d1 :dword; d2 :dword; d3 :dword; w1 :word; w2 :word; b1 :byte; b2 :byte; ```