高效的C編程之： 函數(shù)調(diào)用
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函數(shù)設(shè)計(jì)的基本原則是使其函數(shù)體盡量的小。這樣編譯器可以對(duì)函數(shù)做更多的優(yōu)化。
14.9.1減少函數(shù)調(diào)用開銷ARM上的函數(shù)調(diào)用開銷比非RISC體系結(jié)構(gòu)上的調(diào)用開銷小：
·調(diào)用返回指令“BL”或“MOVpc，lr”一般只需要6個(gè)指令周期（ARM7上）。
·在函數(shù)的入口和出口使用多寄存器加載/存儲(chǔ)指令LDM和STM（Thumb指令使用PUSH和POP）提高函數(shù)體的執(zhí)行效率。
ARM體系結(jié)構(gòu)過(guò)程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)AAPCS定義了如何通過(guò)寄存器傳遞參數(shù)和返回值。函數(shù)中的前4個(gè)整型參數(shù)是通過(guò)ARM的前4個(gè)寄存器r0、r1、r2和r3來(lái)傳遞的。傳遞參數(shù)可以是與整型兼容的數(shù)據(jù)類型，如字符類型char、半字類型short等。
注意
如果是雙字類型，如longlong型，只能通過(guò)寄存器傳遞兩個(gè)參數(shù)。
不能通過(guò)寄存器傳遞的參數(shù)，通過(guò)函數(shù)堆棧來(lái)傳遞。這樣不論是函數(shù)的調(diào)用者還是被調(diào)用者都必須通過(guò)訪問(wèn)堆棧來(lái)訪問(wèn)參數(shù)，使程序的執(zhí)行效率下降。
下面的例子顯示了函數(shù)調(diào)用是傳遞4個(gè)參數(shù)和多于4個(gè)參數(shù)的區(qū)別。
傳遞4個(gè)參數(shù)的函數(shù)調(diào)用源文件如下。
intfunc1(inta,intb,intc,intd)
{
returna+b+c+d;
}
intcaller1(void)
{
returnfunc1(1,2,3,4);
}
編譯的結(jié)果如下。
func1
ADDr0,r0,r1
ADDr0,r0,r2
ADDr0,r0,r3
MOVpc,lr
caller1
MOVr3,#4
MOVr2,#3
MOVr1,#2
MOVr0,#1
Bfunc1
如果程序需要傳遞6個(gè)參數(shù)，變?yōu)槿缦滦问健?/p>
intfunc2(inta,intb,intc,intd,inte,intf)
{
returna+b+c+d+e+f;
}
intcaller2(void)
{
returnfunc1(1,2,3,4,5,6);
}
則編譯后的匯編文件如下。
func2
STRlr,[sp,#-4]!
ADDr0,r0,r1
ADDr0,r0,r2
ADDr0,r0,r3
LDMIBsp,{r12,r14}
ADDr0,r0,r12
ADDr0,r0,r14
LDRpc,{sp},#4
caller2
STMFDsp!,{r2,r3,lr}
MOVr3,#6
MOVr2,#5
STMIAsp,{r2,r3}
MOVr3,#4
MOVr2,#3
MOVr1,#2
MOVr0,#1
BLfunc2
LDMFDsp!,{r2,r3,pc}
綜上所述，為了在程序中高效的調(diào)用函數(shù)，最好遵循以下規(guī)則。
·盡量限制函數(shù)的參數(shù)，不要超過(guò)4個(gè)，這樣函數(shù)調(diào)用的效率會(huì)更高。
·當(dāng)傳遞的參數(shù)超過(guò)4個(gè)時(shí)，要將多個(gè)相關(guān)參數(shù)組織在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，用傳遞結(jié)構(gòu)體指針來(lái)代替多個(gè)參數(shù)。
·避免將傳遞的參數(shù)定義為longlong型，因?yàn)閭鬟f一個(gè)longlong型的數(shù)據(jù)將會(huì)占用兩個(gè)32位寄存器。
·函數(shù)中存在浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，避免使用double型參數(shù)。
14.9.2使用__value_in_regs返回結(jié)構(gòu)體編譯選項(xiàng)__value_in_regs指示編譯器在整數(shù)寄存器中返回4個(gè)整數(shù)字的結(jié)構(gòu)或者在浮點(diǎn)寄存器中返回4個(gè)浮點(diǎn)型或雙精度型值，而不使用存儲(chǔ)器。
下面的例子顯示了__value_in_regs選項(xiàng)的用法。
typedefstruct{inthi;uintlo;}int64;//注意該結(jié)構(gòu)中，高位為有符號(hào)整數(shù)，低位為無(wú)符號(hào)整數(shù)
__value_in_regsint64add64(int64x,int64y)
{int64res;
res.lo=x.lo+y.lo;
res.hi=x.hi+y.hi;
if(res.lo<y.lo)res.hi++;//carryfromlowword
returnres;
}
voidtest(void)
{int64a,b,c,sum;
a.hi=0x00000000;a.lo=0xF0000000;
b.hi=0x00000001;b.lo=0x10000001;
sum=add64(a,b);
c.hi=0x00000002;c.lo=0xFFFFFFFF;
sum=add64(sum,c);
}
編譯后的結(jié)果如下所示。
add64
ADDSa2,a2,a4
ADCa1,a3,a1
MOVpc,lr
test
STMDBsp!,{lr}
MOVa1,#0
MOVa2,#&f0000000
MOVa3,#1
MOVa4,#&10000001
BLadd64
MOVa3,#2
MVNa4,#0
LDMIAsp!,{lr}
Badd64
當(dāng)使用__value_in_regs定義結(jié)構(gòu)體時(shí)，編譯的代碼大小為52字節(jié)，如果不使用__value_in_regs選項(xiàng)，則編譯出的結(jié)果為160字節(jié)（本書中沒(méi)有列出未使用__value_in_regs時(shí)的編譯結(jié)果，讀者有興趣可以自己上機(jī)試驗(yàn)）。
14.9.3葉子函數(shù)所謂葉子函數(shù)（leaffunction）就是在其函數(shù)體內(nèi)不存在對(duì)其他函數(shù)調(diào)用，它也常被稱為終級(jí)函數(shù)。因?yàn)槿~子函數(shù)不需要調(diào)用其他函數(shù)，所有沒(méi)有保存/恢復(fù)寄存器的操作，因此執(zhí)行效率比一般函數(shù)要高。
當(dāng)函數(shù)中必須對(duì)一些寄存器進(jìn)行保存時(shí)，可以使用高效率的多寄存器存儲(chǔ)指令STM，對(duì)需要保存的寄存器內(nèi)存一次性存儲(chǔ)。
正是由于葉子函數(shù)執(zhí)行的高效性，所以在編程時(shí)，盡量將子程序編寫為葉子函數(shù)，這樣即使程序中多次調(diào)用也不會(huì)影響代碼性能。
為了高效的調(diào)用函數(shù)，可以遵循下面函數(shù)調(diào)用原則。
·避免在被頻繁調(diào)用的函數(shù)中調(diào)用其他函數(shù)，以保證被頻繁調(diào)用的函數(shù)被編譯器編譯為葉子函數(shù)。
·把比較小的被調(diào)用函數(shù)和調(diào)用函數(shù)放在同一個(gè)源文件中，并且要先定義后調(diào)用，編譯器就可以優(yōu)化函數(shù)調(diào)用或內(nèi)聯(lián)較小的函數(shù)。
·對(duì)性能影響較大的重要函數(shù)可使用關(guān)鍵字_inline進(jìn)行內(nèi)聯(lián)。
14.9.4嵌套優(yōu)化注意
嵌套優(yōu)化（Tail－Calloptimization）只適用于armcc。編譯時(shí)如果使用-g或-debug選項(xiàng)，編譯器自動(dòng)關(guān)閉該功能。
一個(gè)函數(shù)如果在其結(jié)束時(shí)調(diào)用了另一個(gè)函數(shù)，則編譯器使用B指令調(diào)轉(zhuǎn)到被調(diào)用函數(shù)，而非BL指令。這樣就避免了一級(jí)不必要的函數(shù)返回。圖14.3顯示了嵌套優(yōu)化的調(diào)用過(guò)程。
圖14.3嵌套優(yōu)化函數(shù)調(diào)用過(guò)程
當(dāng)編譯時(shí)使用-O1或-O2選項(xiàng)時(shí)，編譯器都執(zhí)行這種嵌套優(yōu)化。需要注意的是，當(dāng)函數(shù)中引用了局部變量地址，由于指針別名問(wèn)題的影響，即使函數(shù)在返回時(shí)調(diào)用了其他函數(shù)，編譯器也不會(huì)使用嵌套優(yōu)化。
下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)分析嵌套優(yōu)化是如何提高代碼執(zhí)行效率的。
externintfunc2(int);
intfunc1(inta,intb)
{if(a>b)
return(func2(a-b));
else
return(func2(b-a));
}
編譯后的代碼如下所示。
func1
CMPa1,a2
SUBLEa1,a2,a1
SUBGTa1,a1,a2
Bfunc2
首先，func1中使用B指令代替BL指令，不用擔(dān)心lr寄存器被破壞，減少了對(duì)寄存器壓棧保護(hù)操作。另外，程序直接從func2返回到調(diào)用func1的函數(shù)，減少一次函數(shù)返回。如果說(shuō)正常的指令調(diào)用過(guò)程為：
BL+BL+MOVpc，lr+MOVpc，lr
那么經(jīng)過(guò)嵌套優(yōu)化的函數(shù)調(diào)用過(guò)程就可以表示為：
BL+BL+MOVpc，lr
這樣，總的開銷將減少25％。
14.9.5單純子函數(shù)所謂單純子函數(shù)（PureFunctions）是指那些函數(shù)返回值只和調(diào)用參數(shù)有關(guān)。換句話說(shuō)，就是如果調(diào)用函數(shù)的參數(shù)相同，那么函數(shù)的返回結(jié)果也相同。如果程序中存在這樣的函數(shù)，可以在函數(shù)定義時(shí)使用_pure進(jìn)行聲明，這樣在程序編譯時(shí)編譯器會(huì)根據(jù)函數(shù)的調(diào)用情況對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
下面的例子顯示了當(dāng)函數(shù)用_pure聲明時(shí)，編譯器對(duì)其所做的優(yōu)化。
程序源碼文件如下。
intsquare(intx)
{
returnx*x;
}
intf(intn)
{
returnsquare(n)+square(n)
}
編譯后的結(jié)果如下。
square
MOVa2,a1
MULa1,a2,a2
MOVpc,lr
f
STMDBsp!,{lr}
MOVa3,a1
BLsquare
MOVa4,a1
MOVa1,a3
BLsquare
ADDa1,a4,a1
LDMIAsp!,{pc}
上面的程序中，square函數(shù)為“單純子函數(shù)”，當(dāng)使用_pure聲明該函數(shù)時(shí)編譯器在調(diào)用該函數(shù)時(shí)，將對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化。
聲明的方法和編譯后的結(jié)果如下所示。
__pureintsquare(intx)
{
returnx*x;
}
f
STMDBsp!,{lr}
BLsquare
MOVa1,a1,LSL#1
LDMIAsp!,{pc}
從編譯后的代碼中可以看到，用_pure聲明的函數(shù)在f函數(shù)中只調(diào)用了一次。
雖然“單純子函數(shù)”可以提高代碼執(zhí)行效率，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。比如，在“單純子函數(shù)”中，不能直接或間接訪問(wèn)內(nèi)存地址。所以在程序中使用“單純子函數(shù)”時(shí)要特別小心。
另外，還可以使用#pragma聲明“單純子函數(shù)”，下面的代碼顯示了它的聲明過(guò)程。
#pragmano_side_effects
/*functiondefinition*/
#pragmaside_effects
14.9.6內(nèi)嵌函數(shù)ARM編譯器支持函數(shù)內(nèi)嵌功能。使用關(guān)鍵字“_inline”聲明函數(shù)，可以使函數(shù)內(nèi)嵌。下面的例子顯示了如何使用函數(shù)內(nèi)嵌功能。
程序源文件如下。
__inlineintsquare(intx)
{
returnx*x;
}
#include<math.h>
doublelength(intx,inty)
{
returnsqrt(square(x)+square(y));
}
編譯結(jié)果如下所示。
length
STMDBsp!,{lr}
MULa3,a1,a1
MLAa1,a2,a2,a3
BL_dflt
LDMIAsp!,{lr}
Bsqrt
使用函數(shù)內(nèi)嵌有以下好處：
·減少了函數(shù)調(diào)用開銷（如寄存器的壓棧保護(hù)）；
·減少了參數(shù)傳遞開銷；
·進(jìn)一步提高了編譯器對(duì)代碼優(yōu)化的可能性（如編譯器可將ADD和MUL指令合并為一條MLA指令）。
但使用函數(shù)內(nèi)嵌將增加代碼尺寸。也正是處于這種原因，armcc和tcc都沒(méi)有提供函數(shù)自動(dòng)內(nèi)嵌的編譯選項(xiàng)。
一般來(lái)說(shuō)，只有對(duì)性能影響較大的重要函數(shù)才使用關(guān)鍵字_inline進(jìn)行內(nèi)嵌。
14.9.7函數(shù)定義使用函數(shù)時(shí)要先定義后調(diào)用是ARM編程的基本規(guī)則之一。在函數(shù)調(diào)用之前定義函數(shù)，編譯器可以檢查被調(diào)用函數(shù)的寄存器使用情況，從而對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。
首先來(lái)看下面的例子。
intsquare(intx);
intsumsquares1(intx,inty)
{
returnsquare(x)+square(y);
}
/*square函數(shù)可以在本文件中定義，也可以在其他源文件中定義*/
intsquare(intx)
{
returnx*x;
}
intsumsquares2(intx,inty)
{
returnsquare(x)+square(y);
}
編譯的結(jié)果如下所示。
sumsquares1
STMDBsp!,{v1,v2,lr}
MOVv1,a2
BLsquare
MOVv2,a1
MOVa1,v1
BLsquare
ADDa1,v2,a1
LDMIAsp!,{v1,v2,pc}
square
MOVa2,a1
MULa1,a2,a2
MOVpc,lr
sumsquares2
STMDBsp!,{lr}
MOVa3,a2
BLsquare
MOVa4,a1
MOVa1,a3
BLsquare
ADDa1,a4,a1
LDMIAsp!,{pc}
從編譯的結(jié)果可以看出，將square函數(shù)定義放在sumsquares函數(shù)前，編譯器可以判斷寄存器a3和a4并未使用，所有在調(diào)用函數(shù)入口處并未將其壓棧。這樣，減少了內(nèi)存訪問(wèn)，提高了代碼執(zhí)行效率。
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