交换两个数字 - 处理器行为

Question

我一直在寻找交换两个数字的替代选项，结果发现了链接 How to swap two numbers

在 cmets 部分中提到使用临时变量更好。以下是我从链接中复制的评论

如果我们从 CPU 指令的角度来看问题，使用 tmp 会比以上 3 种方法更好，我已经对所有这 4 种方法运行了基准测试（包括第 4 种方法？使用 temp 变量）。毫无疑问，第 4 种方法胜过所有上述 3 种方法。原因是CPU如何将变量移入寄存器以及我们需要使用多少个寄存器。

但我无法找到它如何工作的线索。有人可以解释一下它在处理器级别是如何工作的以及为什么 temp 变量更好（如果是的话）？

Answer 1

“无临时变量”解决方案除了赋值之外，每个语句都有一个算术或逻辑运算。 例如，

      x = x + y;  
      y = x - y; 
      x = x - y; 

临时变量解决方案只会有赋值。

temp = a;
a    = b;
b    = temp;

所以临时变量解决方案在CPU方面显然会有更好的性能。

Answer 2

如果我们使用下面的方法

x = x + y;  
y = x - y; 
x = x - y; 

这些指令包括算术运算和赋值。它需要更多的 cpu 周期才能完成交换。

如果您使用临时变量来交换两个值，则不需要任何算术运算。它只是通过分配值来做到这一点。与上述解决方案相比，这需要更少的 CPU 周期。

Answer 3

查看在这个级别发生了什么样的优化的唯一方法是编译和反汇编。事实证明，编译器已经非常擅长删除或重新解释您的代码以使其更快。

我使用 MS C 编译器编译了这段代码：

int main() 
{
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c;

        // Force use of the variables so they aren't optimized away
        printf("a = %d, b = %d\n", a, b);

        c = b;
        b = a;
        a = c;

        // Force use again
        printf("a = %d, b = %d\n", a, b);

        return 0;
}

这是优化后的实际输出，为简洁而编辑：

; 4    :    int a = 1;
; 5    :    int b = 2;
; 6    :    int c;

; OPTIMISED AWAY

; 8    :    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);

    push    2
    push    1
    push    pointer_to_string_constant
    call    DWORD PTR __imp__printf

; 10   :    c = b;
; 11   :    b = a;
; 12   :    a = c;

; OPTIMISED AWAY

; 14   :    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);

    push    1
    push    2
    push    pointer_to_string_constant
    call    DWORD PTR __imp__printf

; 16   :    return 0;

    xor eax, eax ; Just a faster way of saying "eax = 0;"

; 17   : }

    ret 0

所以你看，编译器决定在这种情况下根本不使用任何变量，而只是将整数直接压入堆栈（这与将参数传递给 C 中的函数相同）。

这个故事的寓意是不要在涉及微优化时对编译器进行第二次猜测。

Answer 4

感谢大家的宝贵意见。我写了一个简单的程序并查看了汇编输出（它是一个用 Xcode 编译的 C 程序）。看起来 XOR 操作的成本是使用临时变量的两倍。附上两个生成的汇编代码图像。当我使用临时变量时，每个操作（a = b & so）都需要两条指令。但是当我使用 XOR 时，每个操作（a ^= b & so）需要 4 条指令。下面是我的程序供参考。截图只包含main中行的汇编代码（除了return 0）

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char * argv[])
{

int a = 100;
int b = 200;
int c;

c = a;
a = b;
b = c;

return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char * argv[])
{

int a = 100;
int b = 200;

a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;

return 0;
}

这些结果可能特定于 MAC 运行时和/或 Xcode 编译方式。如果您认为我在此过程中遗漏了什么，请发表您的评论。