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c++ - GCC 似乎更喜欢比较小的直接值。有没有办法避免这种情况？

问题描述

首先是一个微不足道的数学事实：给定整数n和m，我们有n < m当且仅当 ，n <= m - 1。

GCC 似乎更喜欢绝对值较小的直接值。因此，当m已知且满足其他条件时，编译器会在等效比较表达式中选择一个最小化绝对值的表达式。例如，它n <= 1000比n < 1001GCC 9.2 更喜欢这个

bool f(uint32_t n) {
  return n < 1001;
}

进入这个x86汇编代码

f(unsigned int):
  cmpl $1000, %edi
  setbe %al
  ret

这可能有良好的性能原因，但这不是我的问题。我想知道的是：有没有办法强制 GCC 保持原来的比较？更具体地说，我不担心可移植性，因此 GCC 细节（选项、编译指示、属性……）对我来说是可以的。但是，我正在寻找一种constexpr似乎排除 inline 的友好解决方案asm。最后，我的目标是 C++17，它不包括std::is_constant_evaluated. （话虽如此，请随意提供答案，不管我的限制如何，因为它可能对其他人仍然有用。）

你可能会问我为什么要做这样的事情。开始了。据我了解（如果我错了，请纠正我）这种行为可能是x86_64以下示例中的“悲观”：

bool g(uint64_t n) {
  n *= 5000000001;
  return n < 5000000001;
}

由 GCC 6.2 翻译成

g(unsigned long):
  movabsq $5000000001, %rax
  imulq %rax, %rdi
  movabsq $5000000000, %rax
  cmpq %rax, %rdi
  setbe %al
  ret

在x86_64中，使用 64 位立即数的计算有一些限制，可能意味着这些值要加载到寄存器中。在上面的例子中，这发生了两次：常量5000000001和5000000000存储在rax乘法和比较中。如果 GCC 保留 C++ 代码中出现的原始比较（即反对5000000001），则不需要第二个movabs.

这也意味着代码大小的损失，我猜这被认为是一个问题，并且最新版本的 GCC（例如 9.2）产生了这个：

g(unsigned long):
  movabsq $5000000001, %rax
  imulq %rax, %rdi
  subq $1, %rax
  cmpq %rax, %rdi
  setbe %al
  ret

因此，10movabs字节长的指令被 4 字节长的subq指令取代。无论如何，subq也似乎没有必要。

标签： c++assemblygccx86immediate-operand

解决方案

通常，强制 GCC 输出您可能想要的特定指令序列的唯一方法是使用汇编。如果 GCC 没有生成最佳代码，最好的办法是提交错误报告，希望它在未来的版本中得到改进。

对于您的特定情况，至少有一种解决方法可以生成您想要的代码，至少对于当前的编译器而言。虽然它不需要在汇编中编写整个代码序列，但它确实使用内联汇编将常量加载到寄存器中，假设 GCC 更喜欢使用该寄存器而不是生成新的常量值进行比较。

#include <stdint.h>

static uint64_t 
load_const_asm(uint64_t c) {
    if (__builtin_constant_p(c) && (int32_t) c != c) {
           asm("" : "+r" (c));
    }
    return c;
}

bool
g(uint64_t n) {
    uint64_t c = load_const_asm(5000000001);
    n *= c;
    return n < c;
}

-O在 GCC 9.2 上编译时生成以下代码：

_Z1gm:
  movabs rax, 5000000001
  imul rdi, rax
  cmp rdi, rax
  setb al
  ret

这个 asm 语句欺骗编译器不生成常量减一的单独加载，因为编译器不知道 asm 语句的作用，即使它只是一个空字符串。它强制将常量放入寄存器，但编译器不知道在 asm 语句“执行”之后寄存器将包含什么。

与使用带有 CMP 指令的 asm 语句相比，这样做的优势在于它为编译器提供了最大的自由度来优化您的代码。这通常是内联汇编的一大缺点，它很容易最终使您的代码感到悲观。例如，使用内联汇编可以防止编译器在编译时计算 g() 的结果，如果n是一个常量。但是，对于我上面的代码示例，它仍然能够确定如果 g()n为 1，则它必须返回 true。

最后，确保您没有试图过早地优化您的代码。如果它不会对您的应用程序的性能产生任何明显的不同，您不希望像这样混淆您的代码。如果您最终使用了此代码或其他一些 hack，那么正如 Peter Cordes 在评论中所说，您应该清楚地注释您的代码以解释为什么需要 hack，以便在不再需要时将其删除。

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