Đăng ký từ khóa trong C?

Gì registertừ khóa làm bằng ngôn ngữ C? Tôi đã đọc rằng nó được sử dụng để tối ưu hóa nhưng không được xác định rõ ràng trong bất kỳ tiêu chuẩn nào. Nó vẫn còn liên quan và nếu vậy, khi nào bạn sẽ sử dụng nó?

Đó là một gợi ý cho trình biên dịch rằng biến sẽ được sử dụng nhiều và bạn khuyên bạn nên giữ nó trong một thanh ghi bộ xử lý nếu có thể.

Hầu hết các trình biên dịch hiện đại làm điều đó một cách tự động, và tốt hơn trong việc chọn chúng hơn con người chúng ta.

Tôi ngạc nhiên khi không ai đề cập rằng bạn không thể lấy địa chỉ của biến đăng ký, ngay cả khi trình biên dịch quyết định giữ biến trong bộ nhớ thay vì trong thanh ghi.

Vì vậy, sử dụng registerbạn sẽ không có gì (dù sao trình biên dịch sẽ tự quyết định nơi đặt biến) và mất &toán tử - không có lý do để sử dụng nó.

Nó báo cho trình biên dịch thử sử dụng một thanh ghi CPU, thay vì RAM, để lưu trữ biến. Các thanh ghi nằm trong CPU và truy cập nhanh hơn nhiều so với RAM. Nhưng đó chỉ là một gợi ý cho trình biên dịch, và nó có thể không tuân theo.

Tôi biết câu hỏi này là về C, nhưng câu hỏi tương tự cho C ++ đã được đóng lại như là một bản sao chính xác của câu hỏi này. Câu trả lời này do đó có thể không áp dụng cho C.

Bản nháp mới nhất của tiêu chuẩn C ++ 11, N3485 , cho biết điều này trong 7.1.1 / 3:

Một registerspecifier là một gợi ý cho việc thực hiện rằng biến được khai báo sẽ được sử dụng nhiều. [ lưu ý: Gợi ý có thể bị bỏ qua và trong hầu hết các triển khai, nó sẽ bị bỏ qua nếu lấy địa chỉ của biến. Sử dụng này không được chấp ... -end note ]

Trong C ++ (nhưng không phải trong C), tiêu chuẩn không nêu rõ rằng bạn không thể lấy địa chỉ của một biến được khai báo register; tuy nhiên, vì một biến được lưu trữ trong một thanh ghi CPU trong suốt vòng đời của nó không có vị trí bộ nhớ được liên kết với nó, việc cố lấy địa chỉ của nó sẽ không hợp lệ và trình biên dịch sẽ bỏ qua registertừ khóa để cho phép lấy địa chỉ.

Nó đã không liên quan trong ít nhất 15 năm vì các trình tối ưu hóa đưa ra quyết định tốt hơn về điều này hơn bạn có thể. Ngay cả khi nó có liên quan, nó có ý nghĩa hơn đối với kiến ​​trúc CPU với rất nhiều thanh ghi, như SPARC hoặc M68000 so với Intel với các thanh ghi nhỏ, hầu hết được trình biên dịch dành riêng cho mục đích riêng của nó.

Trên thực tế, thanh ghi cho trình biên dịch biết rằng biến không bí danh với bất kỳ thứ gì khác trong chương trình (thậm chí không phải là char).

Điều đó có thể được khai thác bởi các trình biên dịch hiện đại trong nhiều tình huống khác nhau và có thể giúp trình biên dịch khá nhiều mã phức tạp - trong mã đơn giản, trình biên dịch có thể tự mình tìm ra điều này.

Mặt khác, nó không phục vụ mục đích và không được sử dụng để phân bổ đăng ký. Nó thường không phát sinh sự suy giảm hiệu suất để chỉ định nó, miễn là trình biên dịch của bạn đủ hiện đại.

Tôi đã đọc rằng nó được sử dụng để tối ưu hóa nhưng không được xác định rõ ràng trong bất kỳ tiêu chuẩn nào.

Trong thực tế, nó được xác định rõ ràng bởi tiêu chuẩn C. Trích dẫn dự thảo N1570 phần 6.7.1 đoạn 6 (các phiên bản khác có cùng từ ngữ):

Một tuyên bố về một định danh cho một đối tượng với trình xác định lớp lưu trữ registercho thấy rằng việc truy cập vào đối tượng đó càng nhanh càng tốt. Mức độ mà các đề xuất đó có hiệu quả được xác định theo thực hiện.

&Toán tử đơn nguyên có thể không được áp dụng cho một đối tượng được xác định với registervàregister không được sử dụng trong khai báo bên ngoài.

Có một vài quy tắc khác (khá tối nghĩa) dành riêng cho registercác đối tượng đủ tiêu chuẩn:

• Xác định một đối tượng mảng registercó hành vi không xác định.
  Sửa lỗi: Việc xác định một đối tượng mảng bằngregister , nhưng bạn không thể làm bất cứ điều gì hữu ích với một đối tượng như vậy (lập chỉ mục vào một mảng yêu cầu lấy địa chỉ của phần tử ban đầu).
• Các _Alignas xác định (mới trong C11) có thể không được áp dụng cho một đối tượng như vậy.
• Nếu tên tham số được truyền cho va_startmacro được định mức register, hành vi không được xác định.

Có thể có một vài người khác; tải về bản nháp của tiêu chuẩn và tìm kiếm "đăng ký" nếu bạn quan tâm.

Như tên của nó, ý nghĩa ban đầu của nó registerlà yêu cầu một đối tượng được lưu trữ trong một thanh ghi CPU. Nhưng với những cải tiến trong việc tối ưu hóa trình biên dịch, điều này đã trở nên ít hữu ích hơn. Các phiên bản hiện đại của tiêu chuẩn C không đề cập đến các thanh ghi CPU, vì chúng không còn (cần phải) cho rằng có một thứ như vậy (có những kiến ​​trúc không sử dụng các thanh ghi). Sự khôn ngoan phổ biến là việc áp dụng registercho một khai báo đối tượng có nhiều khả năng làm xấu đi mã được tạo, bởi vì nó can thiệp vào phân bổ đăng ký riêng của nhà biên dịch. Vẫn có thể có một vài trường hợp hữu ích (giả sử, nếu bạn thực sự biết mức độ thường xuyên truy cập của một biến và kiến ​​thức của bạn tốt hơn những gì trình biên dịch tối ưu hóa hiện đại có thể tìm ra).

Tác dụng hữu hình chính của registernó là nó ngăn chặn mọi nỗ lực lấy địa chỉ của một đối tượng. Điều này không đặc biệt hữu ích như một gợi ý tối ưu hóa, vì nó chỉ có thể được áp dụng cho các biến cục bộ và trình biên dịch tối ưu hóa có thể tự thấy rằng địa chỉ của một đối tượng như vậy không được sử dụng.

Giờ kể chuyện!

C, như một ngôn ngữ, là một sự trừu tượng của một máy tính. Nó cho phép bạn làm mọi thứ, về mặt máy tính làm gì, đó là thao tác bộ nhớ, làm toán, in mọi thứ, v.v.

Nhưng C chỉ là một sự trừu tượng. Và cuối cùng, những gì nó trích ra từ bạn là ngôn ngữ hội. Hội là ngôn ngữ mà CPU đọc và nếu bạn sử dụng nó, bạn sẽ làm mọi thứ theo CPU. CPU làm gì? Về cơ bản, nó đọc từ bộ nhớ, làm toán và ghi vào bộ nhớ. CPU không chỉ làm toán trên các số trong bộ nhớ. Đầu tiên, bạn phải di chuyển một số từ bộ nhớ sang bộ nhớ bên trong CPU được gọi là thanh ghi. Khi bạn đã hoàn thành bất cứ điều gì bạn cần làm với con số này, bạn có thể chuyển nó trở lại bộ nhớ hệ thống bình thường. Tại sao lại sử dụng bộ nhớ hệ thống? Đăng ký bị giới hạn về số lượng. Bạn chỉ nhận được khoảng một trăm byte trong các bộ xử lý hiện đại và các bộ xử lý phổ biến cũ thậm chí còn bị giới hạn tuyệt vời hơn (6502 có 3 thanh ghi 8 bit để bạn sử dụng miễn phí). Vì vậy, phép toán trung bình của bạn trông như sau:

load first number from memory
load second number from memory
add the two
store answer into memory

Rất nhiều trong số đó là ... không phải toán học. Những hoạt động tải và lưu trữ có thể mất đến một nửa thời gian xử lý của bạn. C, là một sự trừu tượng của máy tính, giải phóng cho lập trình viên nỗi lo về việc sử dụng và tung hứng các thanh ghi, và vì số lượng và loại khác nhau giữa các máy tính, C đặt trách nhiệm phân bổ đăng ký chỉ trên trình biên dịch. Với một ngoại lệ.

Khi bạn khai báo một biến register, bạn đang nói với trình biên dịch "Yo, tôi dự định biến này sẽ được sử dụng rất nhiều và / hoặc tồn tại trong thời gian ngắn. Nếu tôi là bạn, tôi sẽ cố gắng giữ nó trong sổ đăng ký." Khi tiêu chuẩn C nói rằng trình biên dịch không thực sự phải làm bất cứ điều gì, đó là vì tiêu chuẩn C không biết bạn đang biên dịch máy tính nào và nó có thể giống như 6502 ở trên, nơi cần cả 3 thanh ghi chỉ để hoạt động và không có đăng ký dự phòng để giữ số của bạn. Tuy nhiên, khi nó nói rằng bạn không thể lấy địa chỉ, đó là vì các thanh ghi không có địa chỉ. Chúng là tay của bộ xử lý. Vì trình biên dịch không phải cung cấp cho bạn một địa chỉ và vì nó không bao giờ có địa chỉ, nên một số tối ưu hóa hiện đang mở cho trình biên dịch. Nó có thể, nói, giữ số trong một đăng ký luôn. Nó không' Không phải lo lắng về nơi nó được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính (ngoài việc cần phải lấy lại nó). Nó thậm chí có thể trừng phạt nó thành một biến khác, đưa nó cho một bộ xử lý khác, cho nó một vị trí thay đổi, v.v.

tl; dr: Các biến có thời gian ngắn làm nhiều phép toán. Đừng khai báo quá nhiều cùng một lúc.

Bạn đang rối tung với thuật toán tô màu đồ thị tinh vi của nhà biên dịch. Điều này được sử dụng để phân bổ đăng ký. Vâng, chủ yếu. Nó hoạt động như một gợi ý cho trình biên dịch - đó là sự thật. Nhưng không được bỏ qua toàn bộ vì bạn không được phép lấy địa chỉ của một biến đăng ký (hãy nhớ trình biên dịch, bây giờ vì lòng thương xót của bạn, sẽ cố gắng hành động khác nhau). Mà theo một cách nào đó là nói với bạn không sử dụng nó.

Các từ khóa đã được sử dụng lâu dài, trở lại dài. Khi chỉ có rất ít thanh ghi có thể đếm tất cả bằng ngón tay trỏ của bạn.

Nhưng, như tôi đã nói, không dùng nữa không có nghĩa là bạn không thể sử dụng nó.

Chỉ là một bản demo nhỏ (không có mục đích trong thế giới thực) để so sánh: khi xóa registertừ khóa trước mỗi biến, đoạn mã này mất 3,41 giây trên i7 (GCC) của tôi, với register cùng một mã hoàn thành trong 0,7 giây.

#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {

     register int numIterations = 20000;    

     register int i=0;
     unsigned long val=0;

    for (i; i<numIterations+1; i++)
    {
        register int j=0;
        for (j;j<i;j++) 
        {
            val=j+i;
        }
    }
    printf("%d", val);
    return 0;
}

Tôi đã kiểm tra từ khóa đăng ký theo QNX 6.5.0 bằng mã sau:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
#include <sys/neutrino.h>
#include <sys/syspage.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    uint64_t cps, cycle1, cycle2, ncycles;
    double sec;
    register int a=0, b = 1, c = 3, i;

    cycle1 = ClockCycles();

    for(i = 0; i < 100000000; i++)
        a = ((a + b + c) * c) / 2;

    cycle2 = ClockCycles();
    ncycles = cycle2 - cycle1;
    printf("%lld cycles elapsed\n", ncycles);

    cps = SYSPAGE_ENTRY(qtime) -> cycles_per_sec;
    printf("This system has %lld cycles per second\n", cps);
    sec = (double)ncycles/cps;
    printf("The cycles in seconds is %f\n", sec);

    return EXIT_SUCCESS;
}

Tôi đã nhận được kết quả như sau:

-> 807679611 đã trôi qua

-> Hệ thống này có 3300830000 chu kỳ mỗi giây

-> Chu kỳ tính bằng giây là ~ 0,244600

Và bây giờ không có đăng ký int:

int a=0, b = 1, c = 3, i;

Tôi đã nhận:

-> 1421694077 chu kỳ trôi qua

-> Hệ thống này có 3300830000 chu kỳ mỗi giây

-> Chu kỳ tính bằng giây là ~ 0,430700

Đăng ký sẽ thông báo cho trình biên dịch rằng bộ mã hóa tin rằng biến này sẽ được ghi / đọc đủ để chứng minh lưu trữ của nó trong một trong số ít các thanh ghi có sẵn để sử dụng biến. Đọc / ghi từ các thanh ghi thường nhanh hơn và có thể yêu cầu một bộ mã op nhỏ hơn.

Ngày nay, điều này không hữu ích lắm, vì hầu hết các trình tối ưu hóa của trình biên dịch tốt hơn bạn trong việc xác định liệu một thanh ghi có nên được sử dụng cho biến đó hay không và trong bao lâu.

Trong những năm bảy mươi, vào đầu ngôn ngữ C, từ khóa đăng ký đã được giới thiệu để cho phép lập trình viên đưa ra gợi ý cho trình biên dịch, nói với nó rằng biến đó sẽ được sử dụng rất thường xuyên và nên khôn ngoan giữ giá trị của nó trong một trong các thanh ghi nội bộ của bộ xử lý.

Ngày nay, trình tối ưu hóa hiệu quả hơn nhiều so với lập trình viên để xác định các biến có nhiều khả năng được lưu giữ trong các thanh ghi và trình tối ưu hóa không phải lúc nào cũng đưa ra gợi ý của lập trình viên.

Vì vậy, nhiều người sai khuyến cáo không sử dụng từ khóa đăng ký.

Hãy xem tại sao!

Từ khóa đăng ký có tác dụng phụ liên quan: bạn không thể tham chiếu (lấy địa chỉ của) một biến loại đăng ký.

Mọi người khuyên người khác không nên sử dụng các thanh ghi nhận sai điều này như là một đối số bổ sung.

Tuy nhiên, thực tế đơn giản là bạn biết rằng bạn không thể lấy địa chỉ của biến đăng ký, cho phép trình biên dịch (và trình tối ưu hóa của nó) biết rằng giá trị của biến này không thể được sửa đổi gián tiếp thông qua một con trỏ.

Khi tại một điểm nhất định của luồng lệnh, biến đăng ký có giá trị được gán trong thanh ghi của bộ xử lý và thanh ghi không được sử dụng kể từ khi lấy giá trị của biến khác, trình biên dịch biết rằng nó không cần tải lại giá trị của biến trong thanh ghi đó. Điều này cho phép tránh truy cập bộ nhớ vô dụng đắt tiền.

Làm các bài kiểm tra của riêng bạn và bạn sẽ nhận được những cải tiến hiệu suất đáng kể trong các vòng lặp bên trong nhất của bạn.

c_register_side_effect_performance_boost

Trên các trình biên dịch C được hỗ trợ, nó cố gắng tối ưu hóa mã để giá trị của biến được giữ trong một thanh ghi bộ xử lý thực tế.

Trình biên dịch Visual C ++ của Microsoft bỏ qua registertừ khóa khi tối ưu hóa phân bổ đăng ký toàn cầu (cờ trình biên dịch / Oe) được bật.

Xem đăng ký từ khóa trên MSDN.

Đăng ký từ khóa báo cho trình biên dịch lưu trữ biến cụ thể trong các thanh ghi CPU để có thể truy cập nhanh. Từ quan điểm của một lập trình viên, từ khóa đăng ký được sử dụng cho các biến được sử dụng nhiều trong một chương trình, để trình biên dịch có thể tăng tốc mã. Mặc dù nó phụ thuộc vào trình biên dịch nên giữ biến trong các thanh ghi CPU hoặc bộ nhớ chính.

Đăng ký chỉ ra trình biên dịch để tối ưu hóa mã này bằng cách lưu trữ biến cụ thể đó trong các thanh ghi sau đó trong bộ nhớ. nó là một yêu cầu cho trình biên dịch, trình biên dịch có thể hoặc không thể xem xét yêu cầu này. Bạn có thể sử dụng cơ sở này trong trường hợp một số biến của bạn đang được truy cập rất thường xuyên. Ví dụ: Một vòng lặp.

Một điều nữa là nếu bạn khai báo một biến là đăng ký thì bạn không thể lấy địa chỉ của nó vì nó không được lưu trong bộ nhớ. nó được phân bổ trong thanh ghi CPU.

gcc 9.3 đầu ra asm, không sử dụng cờ tối ưu hóa (mọi thứ trong câu trả lời này đều đề cập đến việc biên dịch tiêu chuẩn mà không cần cờ tối ưu hóa):

#include <stdio.h>
int main(void) {
  int i = 3;
  i++;
  printf("%d", i);
  return 0;
}

.LC0:
        .string "%d"
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3
        add     DWORD PTR [rbp-4], 1
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     esi, eax
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        mov     eax, 0
        call    printf
        mov     eax, 0
        leave 
        ret

#include <stdio.h>
int main(void) {
  register int i = 3;
  i++;
  printf("%d", i);
  return 0;
}

.LC0:
        .string "%d"
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        push    rbx
        sub     rsp, 8
        mov     ebx, 3
        add     ebx, 1
        mov     esi, ebx
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        mov     eax, 0
        call    printf
        add     rsp, 8
        pop     rbx
        pop     rbp
        ret

Lực lượng này ebxđược sử dụng để tính toán, có nghĩa là nó cần được đẩy lên ngăn xếp và khôi phục ở cuối hàm vì nó được lưu lại.registertạo ra nhiều dòng mã hơn và 1 bộ nhớ ghi và 1 bộ nhớ đọc (mặc dù thực tế, điều này có thể đã được tối ưu hóa thành 0 R / W nếu việc tính toán được thực hiện esi, đó là những gì xảy ra khi sử dụng C ++ const register). Không sử dụng registernguyên nhân 2 ghi và 1 đọc (mặc dù lưu trữ để tải chuyển tiếp sẽ xảy ra trên đọc). Điều này là do giá trị phải được trình bày và cập nhật trực tiếp trên ngăn xếp để có thể đọc giá trị chính xác theo địa chỉ (con trỏ). registerkhông có yêu cầu này và không thể được chỉ ra. constvà registervề cơ bản là trái ngược vớivolatile và sử dụngvolatilesẽ ghi đè tối ưu hóa const ở tập tin và phạm vi khối và registertối ưu hóa ở phạm vi khối. const registervà registersẽ tạo ra các đầu ra giống hệt nhau vì const không làm gì trên C ở phạm vi khối, do đó chỉ registeráp dụng tối ưu hóa.

Trên clang, registerđược bỏ qua nhưng consttối ưu hóa vẫn xảy ra.