14.7 寄存器分配
　　編譯器一項很重要的優化功能就是對寄存器的分配。與分配在寄存器中的變量相比，分配到內存的變量訪問要慢得多。所以如何將盡可能多的變量分配到寄存器，是編程時應該重點考慮的問題。
　　注意當使用-g或-dubug選項編譯程序時，為了確保調試信息的完整性，寄存器分配的效率比不使用-g或-dubug選項低很多。
　　14.7.1 變量寄存器分配
　　一般情況下，編譯器會對C函數中的每一個局部變量分配一個寄存器。如果多個局部變量不會交迭使用，那么編譯器會對它們分配同一個寄存器。當局部變量多于可用的寄存器時，編譯器會把多余的變量存儲到堆棧。這些被寫入堆棧需要訪問存儲器的變量被稱為溢出（Spilled）變量。
　　為了提高程序的執行效率：
　　· 使溢出變量的數量最少；
　　· 確保最重要的和經常用到的變量被分配在寄存器中。
　　可以被分配到寄存器的變量包括：
　　· 程序中的局部變量；
　　· 調用子程序時傳遞的參數；
　　· 與地址無關變量。
　　另外，在一些特定條件下，結構體中的域也可以被分配到寄存器中。
　　表14.1顯示了當C編譯器采用ARM－Thumb過程調用標準時，內部寄存器的編號、名字和分配方法。
　　表14.1 C編譯器寄存器用法
　　寄存器編號可選寄存器名特殊寄存器名寄存器用法
　　r0a1函數調用時的參數寄存器，用來存放前4個函數參數和存放返回值。在函數內如果將這些寄存器用作其他用途，將破壞其值。
　　r1a2
　　r2a3
　　r3a4
　　r4v1通用變量寄存器
　　r5v2
　　r6v3
　　r7v4
　　r8v5
　　r9v6或SB或TR平臺寄存器，不同的平臺對該寄存器的定義不同
　　r10v7通用變量寄存器。在使用堆棧邊界檢測的情況下，r10保存堆棧邊界的地址
　　r11v8通用變量寄存器。
　　r12IP臨時過渡寄存器，函數調用時會破壞其中的值
　　r13SP堆棧指針
　　r14LR鏈接寄存器
　　r15PC程序計數器
　　從表14.1可以看出，編譯器可以分配14個變量到寄存器而不會發生溢出。但有些寄存器編譯器會有特殊用途（如r12），所以在編寫程序時應盡量限制變量的數目，使函數內部最多使用12個寄存器。
　　注意在C語言中，可以使用關鍵詞register給指定變量分配專用寄存器。但不同的編譯器對該關鍵詞的處理可能不同，使用時要查閱相關手冊。
　　14.7.2 指針別名
　　C語言中的指針變量可以給編程帶來很大的方便。但使用指針變量時要特別小心，它很可能使程序的執行效率下降。在一個函數中，編譯器通常不知道是否有2個或2個以上的指針指向同一個地址對象。所以編譯器認為，對任何一個指針的寫入都將會影響從任何其他指針的讀出，但這樣會明顯降低代碼執行的效率。這就是著名的“寄存器別名（Pointer Aliasing）”問題。
　　注意一些編譯器提供了“忽略指針別名”選項，但這可能給程序帶來潛在的bug。ARM編譯器是遵循ANSI/ISO標準的編譯器，不提供該選項。
　　1．局部變量指針別名問題
　　通常情況下，編譯器會試圖對C函數中的每一個局部變量分配一個寄存器。但當局部變量是指向內存地址的指針時，情況有所不同。先來看一個簡單的例子。
　　void add（int * i）
　　{
　　int total1=0，total2=0;
　　total1+= *i;
　　total2+= *i;
　　}
　　編譯后生成：
　　add：
　　0000807C E3A01000 MOV r1，#0
　　》》》 POINTALIAS\#3 int total1=0，total2=0;
　　00008080 E3A02000 MOV r2，#0
　　》》》 POINTALIAS\#5 total1+= *i;
　　00008084 E5903000 LDR r3，［r0，#0］
　　00008088 E0831001 ADD r1，r3，r1
　　》》》 POINTALIAS\#6 total2+= *i;
　　0000808C E5903000 LDR r3，［r0，#0］
　　00008090 E0832002 ADD r2，r3，r2
　　》》》 POINTALIAS\#8 }
　　00008094 E12FFF1E BX r14
　　》》》 POINTALIAS\#11 {
　　注意程序中i的值被裝載了兩次。因為編譯器不能確定指針*i是否有別名存在，這就使得編譯器不得不增加一條額外的Load指令。
　　另一個問題，當在函數中要獲得局部變量地址時，這個變量就被一個指針所對應，就可能與其他指針產生別名。為了防止別名發生，在每次對變量操作時，編譯器就會從堆棧中重新讀入數據?？紤]下面的例子程序，分析其產生的編譯結果。
　　void f（int *a）;
　　int g（int a）;
　　int test1（int i）
　　{ f（&i）;
　　/* now use ’i’ extensively */
　　i += g（i）;
　　i += g（i）;
　　return i;
　　}
　　編譯結果如下所示。
　　test1
　　STMDB sp！，{a1，lr}
　　MOV a1，sp
　　BL f
　　LDR a1，［sp，#0］
　　BL g
　　LDR a2，［sp，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　STR a1，［sp，#0］
　　BL g
　　LDR a2，［sp，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　ADD sp，sp，#4
　　LDMIA sp！，{pc}
　　從上面代碼的編譯結果可以看出，對每一次i操作，編譯器都將會從堆棧中讀出其值。這是因為，一旦在函數中出現對i的取值操作，編譯器就會擔心別名問題。為了避免這種情況，盡量不要在程序中使用局部變量地址。如果必須這么做，那么可以在使用之前先把局部變量的值復制到另外一個局部變量中。下面的程序是對test1函數的優化。
　　int test2（int i）
　　{
　　int dummy = i;
　　f（&dummy）;
　　i = dummy;
　　/* now use ’i’ extensively */
　　i += g（i）;
　　i += g（i）;
　　return i;
　　}
　　編譯后的結果如下。
　　test2
　　STMDB sp！，{v1，lr}
　　STR a1，［sp，#-4］！
　　MOV a1，sp
　　BL f
　　LDR v1，［sp，#0］
　　MOV a1，v1
　　BL g
　　ADD v1，a1，v1
　　MOV a1，v1
　　BL g
　　ADD a1，a1，v1
　　ADD sp，sp，#4
　　LDMIA sp！，{v1，pc}
　　從編譯結果可以看出，修改后的代碼只使用了2次內存訪問，而test1為4次內存訪問。
　　總上所述，為了在程序中避免指針別名，應該做到：
　　· 避免使用局部變量地址；
　　· 如果程序中出現多次對同一指針的訪問，應先將其值取出并保存到臨時變量中。
　　2．全局變量
　　通常情況下，編譯器不會為全局變量分配寄存器。這樣在程序中使用全局變量，很可能帶來內存訪問上的開銷。所有盡量避免在循環體內使用全局變量，以減少對內存的訪問次數。
　　如果在一段程序體內大量使用了同一個全局變量，建議在使用前先將其拷貝到一個局部的臨時變量中，當完成對它的全部操作后，再將其寫回到內存。
　　比較下面兩個完成同樣功能的函數，分析全局變量的操作對程序性能的影響。
　　int f（void）;
　　int g（void）;
　　int errs;
　　void test1（void）
　　{
　　errs += f（）;
　　errs += g（）;
　　}
　　void test2（void）
　　{
　　int localerrs = errs;
　　localerrs += f（）;
　　localerrs += g（）;
　　errs = localerrs;
　　}
　　編譯結果如下。
　　test1
　　STMDB sp！，{v1，lr}
　　BL f
　　LDR v1，［pc， #L00002c-。-8］
　　LDR a2，［v1，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　STR a1，［v1，#0］
　　BL g
　　LDR a2，［v1，#0］
　　ADD a1，a1，a2
　　STR a1，［v1，#0］
　　LDMIA sp！，{v1，pc}
　　L00002c
　　DCD |x$dataseg|
　　test2
　　STMDB sp！，{v1，v2，lr}
　　LDR v1，［pc， #L00002c-。-8］
　　LDR v2，［v1，#0］
　　BL f
　　ADD v2，a1，v2
　　BL g
　　ADD a1，a1，v2
　　STR a1，［v1，#0］
　　LDMIA sp！，{v1，v2，pc}
　　從編譯的結果中可以看出，test1中每次對全局變量errs的訪問都會使用耗時的Load/Store指令；而test2只使用了一次內存訪問指令。這對提高程序的整體性能有很大幫助。
　　3．指針鏈
　　指針鏈（Pointer Chains）常被用來訪問結構體內部變量。下面的例子顯示了一個典型的指針鏈的使用。
　　typedef struct { int x， y， z; } Point3;
　　typedef struct { Point3 *pos， *direction; } Object;
　　void InitPos1（Object *p）
　　{
　　p-》pos-》x = 0;
　　p-》pos-》y = 0;
　　p-》pos-》z = 0;
　　}
　　上面的代碼每次使用“p-》pos”時都會對變量重新取值。為了提高代碼效率，將程序改寫如下。
　　void InitPos2（Object *p）
　　{
　　Point3 *pos = p-》pos;
　　pos-》x = 0;
　　pos-》y = 0;
　　pos-》z = 0;
　　}
　　經過改寫的代碼，減少了內存訪問次數，提高程序的執行效率，另外也可以在object結構體中增加一個point3域，專門作為指向p-》pos的指針。
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