【问题标题】：How can Duff's device code be compiled?Duff 的设备代码如何编译？
【发布时间】：2011-04-06 15:58:14
【问题描述】：

我明白为什么Duff's device 比可以展开但未优化的普通循环代码更快。但我还不明白如何编译代码。
我想这是关于 switch 语法的一个技巧。但现在不是了。

switch句中怎么能存在do while句？很奇怪。
有谁可以解释一下吗？

编辑： 另一个问题。为什么 duff 使用 8？它可以是 16、65536 或其他。因为代码大小？还有别的原因吗？例如，缓存或流水线的好处。

【问题讨论】：

“我明白为什么 Duff 的设备比没有优化的普通代码要快。”它不是。它可能只会让编译器和人类一样感到困惑，从而可能导致更慢代码。即使对 Duff 的设备有不同的支持，你也不需要如此糟糕的速度，你需要使用这种可憎的东西。跟我重复一遍。你不需要使用这个可憎的。
Duff 的设备过去比普通代码快（至少在某些平台上）——现在几乎没有了。在大约 10 年前我们在 Windows PC 和 MSVC 上进行的一个项目中，结果证明它比优化的普通代码慢。
真正的教训是相信你的编译器。不要以牺牲可读性和可维护性为代价来追逐性能边际收益的可能性（即使在这种情况下也是如此）。任何时候你必须就 SO 提出问题以理解一段代码或让它编译，你可能不应该尝试使用它。
@Hogan - 您是否声称 C 和 C++ 之间存在一些影响 Duffs 设备的差异？我能想到的唯一一件事就是与在开关/循环中声明的局部变量的范围、构造和销毁有关，这几乎肯定不是问题。
IMO 问题不在于 Duff 的设备，而是您不应该担心的任何类型的手动循环展开。在那些非常罕见的情况下，当您确实手动展开循环以查看它是否优于优化器（有时会这样做）时，您的循环可能不是展开程度的倍数。此时，您可能会选择使用 Duff 的设备，而不是一堆 goto，正是因为它可以让编译器优化操作的选择和跳转部分。不过，我不明白为什么人们会对有人能走到这一步的想法如此震惊。

标签： c++ c switch-statement duffs-device

【解决方案1】：

“它是如何工作的”很简单。

C 和 C++ 都是编译语言，通常编译为平台机器码。机器代码没有块结构的概念 - 所有块结构都必须转换为使用（实际上）无条件和条件 goto 的某种组合的形式。

C 语法规则允许 switch 语句和循环以一种不是真正的分层块结构的方式组合，但它会缠结控制流。只要编译器可以处理这个（任何好的编译器都应该），底层机器代码就没有问题。结果将是“意大利面条”，但通过优化器生成的机器代码始终是意大利面条——它并不意味着人类可读，所以这不是问题。这里的问题是源代码也是意大利面条，即使 goto 被“隐藏”了。

注意 - 虽然任何好的编译器都应该能够处理 Duffs 设备，正如其他人已经评论过的那样，但这并不意味着它能够很好地处理以正确优化它 - 仅足以生成正确的可执行代码。这是这些古老的奇怪习语之一，曾经有一个目的，但现在更有可能混淆你的编译器并破坏它生成高效代码的能力。

编辑

以下与达夫设备有关，可能有助于说明基本思想...

switch (count & 1)
{
  case 0 : goto lbl0;
  case 1 : goto lbl1;
}

lbl0:

while (count != 0)
{
  handle_one ();
  count--;
lbl1:
  handle_one ();
  count--;
}

在循环中包含 case 子句在概念上与在循环中包含 goto-target 标签没有什么不同，如上所述。

警告 - 这纯粹是为了说明一个想法，不应在现实生活中复制代码。

【讨论】：

顺便说一句，并非所有编译器都能从 Duff 的设备生成正确的代码。如果您尝试使用 C++ Builder 编译它，则需要禁用称为“启用循环感应变量和强度降低”的优化，否则您将在运行时遇到访问冲突。

【解决方案2】：

对 Duff 的 Device 编译原因的简单解释是，switch 语句的语法对于switch 语句块可能需要采用的形式并不特别具体。在受控语句中有一些限制，以及在 switch （case 和 default 标签）之外不允许的几件事。但除此之外，受控语句只是任何其他语句，可能有标签供switch 为目标。

这是来自 C99 的语法：

switch ( expression ) statement

除了语法之外，该标准还施加了一些限制：

控制表达式必须是整数类型
VLA 可以在 switch 语句中出现的位置受到限制
case 标签表达式必须是整数常量表达式
case 标签表达式或default 标签不能重复

除此之外，语句块中允许的任何构造都应允许在受控语句中（除了case 和default 标签是可以的）。请记住，case 和default 只是开关根据控制表达式和case 标签表达式跳转到的标签。 As Potatoswatter says, switch 只是一个计算出来的goto。所以就像goto 可以跳到循环的中间一样，switch 也可以。

此外，我认为您可能会从 Duff 的设备中受益的情况在今天非常罕见（我认为即使在 1980 年代也很少见）。别忘了汤姆·达夫本人在他的description 中说过：

“恶心，不是吗？”
“我对这一发现感到既自豪又厌恶。”

与最初描述时相比，Duff 的设备应该被视为一种好奇心而不是使用的工具。

【讨论】：

Tom duff 的描述很有趣。我没读过。谢谢。

【解决方案3】：

switch 只是一个计算出来的goto。因此，循环内有几个标签，循环外有一个switch 语句。 switch 决定要转到哪个标签，gotos 在那里，在循环内。

一旦执行进入循环，它就会继续循环，直到循环放弃控制。

它实际上非常简单……除非是最直接的替代方法，否则不应使用它。

不要相信任何告诉你它可以使任何事情变得快速的人。

我什至会说不要听他们说的任何话根本，即使是你的老师。

至于编译器，他们将事情分解为通用控制流图，而不关心 switch 与 if 与 while。对编译器来说都是if ( … ) goto …; else goto …;。

【讨论】：

【解决方案4】：

虽然 Duff 的设备就其最初的用途而言确实已经过时，但它仍可用于特殊用途，例如通常在 N 状态中反复循环的状态机，但有时需要返回给调用者并稍后在它停止的状态。将switch 语句放在循环外，将case 标签放在循环内（我认为这是“Duff 设备”的定义）就很有意义了。

话虽如此，请不要使用 Duff 的设备“手动优化”。将有效的“goto 标签”放在所有地方不会帮助编译器优化。

【讨论】：

【解决方案5】：

如果我们从您链接的维基百科文章中获取实现...

send(to, from, count)
register short *to, *from;
register count;
{
        register n=(count+7)/8;
        switch(count%8){
        case 0:       do{     *to = *from++;
        case 7:               *to = *from++;
        case 6:               *to = *from++;
        case 5:               *to = *from++;
        case 4:               *to = *from++;
        case 3:               *to = *from++;
        case 2:               *to = *from++;
        case 1:               *to = *from++;
                }while(--n>0);
        }
}

...并将“高级”do/while 循环替换为编译器真正将其简化为的汇编级if/goto...

send(to, from, count)
register short *to, *from;
register count;
{
        register n=(count+7)/8;
        switch(count%8){
        case 0:     do_label: *to = *from++;
        case 7:               *to = *from++;
        case 6:               *to = *from++;
        case 5:               *to = *from++;
        case 4:               *to = *from++;
        case 3:               *to = *from++;
        case 2:               *to = *from++;
        case 1:               *to = *from++;
                if (--n>0) goto do_label;
        }
}

...它可能会帮助您了解 - 在 do/while 范围没有引入任何局部变量的这种用法中 - do-while 真的没有什么比跳回绕过开关的 case 0 更重要的了因此需要评估 count % 8 （% 在事物方案中是一个非常昂贵的操作）。

希望能帮助它点击，但可能不会...？ :-)

为什么 duff 使用 8？它可以是 16、65536 或其他。因为代码大小？还有别的原因吗？例如，缓存或流水线的好处。

只是收益递减的一个例子。必须进行--n > 0 检查并在每 8 个数据副本后跳转并不是很大的开销，但代码的大小（源代码和缓存中的编译代码）仍然非常紧凑。可能是 90% 或 95% 的工作与间接费用，这显然已经足够了。此外，为了说明和与其他人分享这个概念，Tom Duff 可能更喜欢它是一个典型的 80x25 终端的代码价值，而不是一页或 10 页。

【讨论】：