将参数作为编译时常量或变量传递时的功能性能差异

Question

在Linux内核代码中有一个用于测试位的宏（Linux版本2.6.2）：

#define test_bit(nr, addr)                      \
        (__builtin_constant_p((nr))             \
         ? constant_test_bit((nr), (addr))      \
         : variable_test_bit((nr), (addr)))

其中constant_test_bit 和variable_test_bit 定义为：

static inline int constant_test_bit(int nr, const volatile unsigned long *addr  )
{       
        return ((1UL << (nr & 31)) & (addr[nr >> 5])) != 0;
}


static __inline__ int variable_test_bit(int nr, const volatile unsigned long *addr)
{       
        int oldbit;

        __asm__ __volatile__(
                "btl %2,%1\n\tsbbl %0,%0"
                :"=r" (oldbit)
                :"m" (ADDR),"Ir" (nr));
        return oldbit;
}

我了解__builtin_constant_p 用于检测变量是编译时常量还是未知变量。我的问题是：当参数是否为编译时间常数时，这两个函数之间是否存在性能差异？为什么有的时候用C版，没有的时候用汇编版？

更新：以下主要函数用于测试性能：

常量，调用常量_test_bit：

int main(void) {
        unsigned long i, j = 21;
        unsigned long cnt = 0;
        srand(111)
        //j = rand() % 31;
        for (i = 1; i < (1 << 30); i++) {
                j = (j + 1) % 28;
                if (constant_test_bit(j, &i))
                        cnt++;
        }
        if (__builtin_constant_p(j))
                printf("j is a compile time constant\n");
        return 0;
}

这会正确输出句子j is a...

对于其他情况，只需取消注释将“随机”数字分配给j 的行并相应地更改函数名称。当取消注释该行时，输出将为空，这是预期的。

我用gcc test.c -O1编译，结果如下：

常数，常数_test_bit：

$ time ./a.out 

j is compile time constant

real    0m0.454s
user    0m0.450s
sys     0m0.000s

constant, variable_test_bit(省略time ./a.out，下同)：

j is compile time constant

real    0m0.885s
user    0m0.883s
sys     0m0.000s

变量，常量_test_bit：

real    0m0.485s
user    0m0.477s
sys     0m0.007s

变量，variable_test_bit：

real    0m3.471s
user    0m3.467s
sys     0m0.000s

我每个版本都运行了几次，上面的结果是它们的典型值。似乎constant_test_bit 函数总是比variable_test_bit 函数快，无论参数是否是编译时间常数......对于最后两个结果（当j 不是常数时）变量版本是甚至比恒定的慢得多。 我在这里遗漏了什么吗？

Answer 1

使用godbolt我们可以做一个experiment using of constant_test_bit，下面两个测试函数编译gcc和-O3标志：

// Non constant expression test case
int func1(unsigned long i, unsigned long j)
{
  int x = constant_test_bit(j, &i) ;
  return x ;
}

// constant expression test case
int func2(unsigned long i)
{
  int x = constant_test_bit(21, &i) ;
  return x ;
}

我们看到优化器能够将常量表达式的情况优化为以下：

shrq    $21, %rax
andl    $1, %eax

而非常量表达式的情况如下：

sarl    $5, %eax
andl    $31, %ecx
cltq
leaq    -8(%rsp,%rax,8), %rax
movq    (%rax), %rax
shrq    %cl, %rax
andl    $1, %eax

因此优化器能够为常量表达式的情况生成更好的代码，我们可以看到constant_test_bit 的非常量情况与variable_test_bit 中的手工汇编相比相当糟糕，实现者必须相信constant_test_bit 的常量表达式最终优于：

btl %edi,8(%rsp)
sbbl %esi,%esi 

对于大多数情况。

至于为什么你的测试用例似乎显示出不同的结论是你的测试用例有缺陷。我一直无法解决所有问题。但是，如果我们使用带有非常量表达式的constant_test_bit 查看this case，我们可以看到优化器能够将所有工作移到外观之外，并将循环内与constant_test_bit 相关的工作减少到：

movq    (%rax), %rdi

即使使用较旧的gcc 版本，但这种情况可能与使用test_bit 的情况无关。可能有更具体的情况无法进行这种优化。