优化C++代码（3）常量合并

这篇文章讲的是常量合并，这是VC++编译器最简单的优化之一。  这种优化，是指编译器在编译时(编译期间)直接计算出表达式的结果，在生成的代码中直接用计算结果替换表达式。 这样就避免了程序在运行时执行这些计算花费的成本。

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下面是一个例子 APP.cpp文件中的main函数：

 
 
 
    
  
  
  
  1. int main() { return 7 + 8; }
    2.

首先，关于这篇文章的一些须知：

  1. 我们将从命令行来构建程序(而不是Visual Studio)
  2. 我们会使用Visual Studio 2012。 特别注意的是，这个版本的编译器会产生x64位代码（而不是已经过时的x86架构）在64位机子上编译。

如果你想要继续，请看下说明。实际上，你只需要从Visual Studio 列表里选择一个正确的变体。

（注意：如果你正在使用Visual Studio Express上的免费编译器，它仅仅只能运行在x86上，但是也会顺利生成x64的代码。对这个实验同样有用。）

我们可以通过命令 CL /FA App.cpp来构建示例程序。用/FA开关创建一个输出文件，用来保存编译器生成的汇编代码，可以输入type App.asm来显示：

 
 
 
    
  
  
  
  1. PUBLIC  main
    2. 
  
  
  
  2. _TEXT   SEGMENT
    3. 
  
  
  
  3. main    PROC
    4. 
  
  
  
  4.         mov     eax, 15
    5. 
  
  
  
  5.         ret     0
    6. 
  
  
  
  6. main    ENDP
    7. 
  
  
  
  7. _TEXT   ENDS
    8. 
  
  
  
  8. END
    9.

有趣的是这条指令move ax,15—-仅仅将15赋值给寄存器EAX(根据x64调用标准的定义，x64函数将会设置一个int值，作为函数的结果，并返回给调用者)。编译器运行期间并没有发出 7加8的指令。就像下面这样：

 
 
 
    
  
  
  
  1. PUBLIC  main
    2. 
  
  
  
  2. _TEXT   SEGMENT
    3. 
  
  
  
  3. main    PROC
    4. 
  
  
  
  4.         mov     eax, 7
    5. 
  
  
  
  5.         add     eax, 8
    6. 
  
  
  
  6.         ret     0
    7. 
  
  
  
  7. main    ENDP
    8. 
  
  
  
  8. _TEXT   ENDS
    9. 
  
  
  
  9. END
    10.

（注意看了，这两段代码的***一条指令，ret 0，是指将控制权返回给调用者，并从栈里弹出0个字节。不要被误导认为是返回数值0给调用者！）

我猜到，你可能在想：这很好啊，但是哪个白痴会想到在代码里写 7+8 这样的运算？的确，你是对的，但是编译器会把这样的结构看成是有副作用的宏。看了下面的例子，你就会明白常量合并是一个很有用的优化方法：

 
 
 
    
  
  
  
  1. #define SECS_PER_MINUTE  60
    2. 
  
  
  
  2. #define MINUTES_PER_HOUR 60
    3. 
  
  
  
  3. #define HOURS_PER_DAY    24
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5. enum Event { Started, Stopped, LostData, ParityError };
    6. 
  
  
  
  6.  
    7. 
  
  
  
  7. struct {
    8. 
  
  
  
  8.     int        clock_time;
    9. 
  
  
  
  9.     enum Event ev;
    10. 
  
  
  
  10.     char*      reason;
    11. 
  
  
  
  11. }   Record;
    12. 
  
  
  
  12.  
    13. 
  
  
  
  13. int main() {
    14. 
  
  
  
  14.     const int table_size = SECS_PER_MINUTE * MINUTES_PER_HOUR * HOURS_PER_DAY * sizeof Record;
    15. 
  
  
  
  15.     // rest of program
    16. 
  
  
  
  16. }
    17.

我们要创建一个足够大的表保存每一秒的记录，所以table_size就是表的大小，用字节表示。很容易查看变量table_size的汇编指令：

 
 
 
    
  
  
  
  1. mov     DWORD PTR table_size$[rsp], 1382400     ; 00151800H
    2.

这儿没有乘法指令，60*60*24*16=1382400 是在编译时计算的。

事实上，我们窥探下编译器的内部，会发现这种常量合并的运算非常简单，它是由前端来执行的。它并不需要后端优化器笨重的提升能力。所以它总是存在的。不管你是开启优化（使用 /O2）或者关闭优化（/Od）都没什么区别—–该优化总是自动执行的。

不管表达式有多复杂，我们都能在编译期间进行常量合并吗？—事实上，前端可以处理任意的常量算术表达式（甚至包括上面提到的sizeof，只要它们在编译时能被计算出来）和运算符（+ - * / % << >> ++ 和 –）。你甚至可以使用布尔值，逻辑运算符 和条件运算符if AND ？：。

有没有常量合并需要后端优化器的时候呢？当然有，看下面的例子：

 
 
 
    
  
  
  
  1. int bump(int n) { return n + 1; } 
    2. 
  
  
  
  2.   
    3. 
  
  
  
  3. int main() { return 3 + bump(6); } 
    4.

输入命令cl /FA /Od App.cpp，会得到信息：不能优化，谢谢！，输入 App.asm，我们会得到：

 
 
 
    
  
  
  
  1. mov     ecx, 6
    2. 
  
  
  
  2. call    ?bump@@YAHH@Z                           ; bump
    3. 
  
  
  
  3. add     eax, 3
    4.

正如我们所预料的： ECX会保存***个参数6，根据x64调用约定，然后调用bump函数，结果返回给EAX，然后EAX再加3。

我们来看看如果我们使用 cl /FA /O2 App.cpp 来进行优化，会发生什么。

 
 
 
    
  
  
  
  1. mov eax,10
    2.

后端优化器已经识别到bump函数很小，可以包含到调用者里（我们在后面的章节将会讲到这种优化方法，叫做内联函数）。它在编译时就能够估算出整个表达式的值，***只剩下一条单指令。很神奇，对吧？

当前标题：优化C++代码（3）常量合并
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