C++各种循环方式梳理及对比(1)深入到汇编看while和for

分类: C++深入浅出

Posted by 白夜行的狼 on May 8, 2020

0. 写在最前面

本文持续更新地址:https://haoqchen.site/2020/05/08/all-kind-of-loop-1/

第二篇持续更新地址:C++各种循环方式梳理及对比(2)高级循环

整理这两篇东西花了快一个周末,觉得还不错给个赞呗

在学习的过程中发现C++有各种各样的循环方式,比如最基本的:

  • for
  • while

后面增加的:

这些循环方式各有特点,调用方式也不同。本文将整理他们的异同,并尝试比较他们的效率。很多情况下,程序80%的时间会被20%的代码消耗,而这20%的代码多为循环。

如果觉得写得还不错,可以找我其他文章来看看哦~~~可以的话帮我github点个赞呗。 你的Star是作者坚持下去的最大动力哦~~~

1. 结论

将结论写在前面,是因为深入探究这个东西会又长又臭,很多人没那个耐心看下去。但你如果能耐心看下去,相信还是会有更深刻的收获的。

  1. for和while的汇编都是一样的。
  2. for中的判断,最好是将函数的值给一个const型变量,像下面这样:
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    const int size = getSize();
    for (int i = 0; i < size; ++i){
    
    }
    
  3. 对于现代编译器,将i写在循环外和循环内没有区别

2. for与while的性能

2.1 for与while的区别

用《C++ Primer Plus》的话来说,while循环是没有初始化和更新部分的for循环,它只有测试条件和循环体

测试代码:

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#include <iostream>

int main (int argc, char** argv)
{
    int i = 0;
    const int data_size = 100;
    int data[data_size] = {0};
    for (; i < data_size; ++i){
        data[i] = i;
    }

    i = 0;
    while(i < data_size){
        data[i] = i;
        ++i;
    }
    return 0;
}

在命令行输入一下命令

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g++ ./objdump.cpp -g # ./objdump.cpp是我的文件,-g输出调试信息 
objdump -S a.out -M intel # 使用objdump进行汇编分析,-M指定汇编风格

这种汇编分析的好处是能让C++代码跟汇编代码一一对应,但是看起来不够整体。认真理解了代码对应后,直接将cpp文件转成汇编.s文件:

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g++ ./objdump.cpp -S -masm=intel -O0 # -S输出汇编指令,-masm指定汇编风格为intel

得到汇编文件objdump.s,其中与for和while循环相关的汇编如下:

.L3:
    cmp  DWORD PTR [rbp-424], 99             ; 先将i与99对比
    jg   .L2                                 ; 不符合直接跳转到下面
    mov  eax, DWORD PTR [rbp-424]            ; 将i移到累加寄存器eax
    cdqe                                     ; 该指令将EAX签名扩展为RAX。它是movslq %eax, %rax的简短形式,与AT&T风格的cltq等效
    mov  edx, DWORD PTR [rbp-424]            ; 将i移到edx寄存器,该寄存器总是用来存放整数除法产生的余数
    mov  DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx      ; 将edx移到对应的data[i]地址
    add  DWORD PTR [rbp-424], 1              ; i + 1
    jmp  .L3                                 ; 跳回for循环
.L2:
    mov  DWORD PTR [rbp-424], 0
.L5:
    cmp  DWORD PTR [rbp-424], 99
    jg   .L4
    mov  eax, DWORD PTR [rbp-424]
    cdqe
    mov  edx, DWORD PTR [rbp-424]
    mov  DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
    add  DWORD PTR [rbp-424], 1
    jmp  .L5
.L4:
    mov  eax, 0
    mov  rsi, QWORD PTR [rbp-8]
    xor  rsi, QWORD PTR fs:40
    je  .L7
    call  __stack_chk_fail

可以看到,while和for的汇编都是一样的,性能也就肯定一样啦。

2.2 for中的判断应该怎么写

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// A
for (int i = 0; i < vec.size(); ++i){

}
// B
const int size = vec.size();
for (int i = 0; i < size; ++i){

}

for里面有一个判断条件,经常会纠结,到底是A好,还是B好。

测试代码:

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#include <iostream>

const int kDataSize = 100;
int data_size = 100;

const int getSize(void)
{
    return kDataSize;
}

int main (int argc, char** argv)
{
    int data[kDataSize] = {0};
    for (int i = 0; i < getSize(); ++i){
        data[i] = i;
    }

    for (int i = 0; i < kDataSize; ++i){
        data[i] = i;
    }

    for (int i = 0; i < data_size; ++i){
        data[i] = i;
    }
    return 0;
}

生成主要汇编代码如下:

    .globl  _Z7getSizev                             ; getSize函数,LFB是函数开始,LFE是函数结尾,LBB和LBE是功能块
    .type  _Z7getSizev, @function
_Z7getSizev:
.LFB1021:
    .cfi_startproc
    push  rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    mov   rbp, rsp
    .cfi_def_cfa_register 6
    mov   eax, 100
    pop   rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1021:
    .size  _Z7getSizev, .-_Z7getSizev

    mov   DWORD PTR [rbp-428], 0
.L5:                                                   ; 调用函数的for循环
    call  _Z7getSizev                                  ; 每个for循环都要调用函数,造成浪费
    cmp   eax, DWORD PTR [rbp-428]                     ; 比较函数结果(在函数内被放到了eax)与i的大小  
    ; eax是32位寄存器,ax是eax的低16位,ah是ax的高8位,al是ax的低8位。
    setg  al                                           ; setg al ; ZF==0 并 SF==0 并 OF==0 时 al=1;
    ; test会根据操作数运算设置加法器相关标志位,一般用来判断操作数是否为0
    test  al, al                                       ; al和al两个操作数进行按位与操作,al本身不变
    je    .L4                                          ; 等于则跳转
    mov   eax, DWORD PTR [rbp-428]
    cdqe
    mov   edx, DWORD PTR [rbp-428]
    mov   DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
    add   DWORD PTR [rbp-428], 1
    jmp   .L5
.L4:
    mov   DWORD PTR [rbp-424], 0
.L7:                                                   ; 与2.1节一样
    cmp   DWORD PTR [rbp-424], 99
    jg    .L6                                          ; 有符号大于则跳转
    mov   eax, DWORD PTR [rbp-424]
    cdqe
    mov   edx, DWORD PTR [rbp-424]
    mov   DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
    add   DWORD PTR [rbp-424], 1
    jmp   .L7
.L6:
    mov   DWORD PTR [rbp-420], 0
.L9:
    mov   eax, DWORD PTR data_size[rip]                ; 比上一个for多了将data_size移到eax这一步
    cmp   DWORD PTR [rbp-420], eax
    jge   .L8                                          ; 有符号大于等于则跳
    mov   eax, DWORD PTR [rbp-420]
    cdqe
    mov   edx, DWORD PTR [rbp-420]
    mov   DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
    add   DWORD PTR [rbp-420], 1
    jmp   .L9

总结:

  1. L7和L9,也即后面两个循环,一个是const int, 一个是int类型的变量。L7跟前面2.1是完全一样的,L9由于不是const变量,所以必须要每次都读取到eax寄存器中,多了一步。
  2. 如果判断条件是函数,将会额外进行非常多的操作。
  3. 对比,2.1和2.2可以发现,将i放在循环内还是循环外,在现代编译器看来都是一样的。

参考

  • 文中用到的一些链接


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