“register"关键字在C?

在70年代，在C语言的最开始，register关键字的引入是为了允许程序员给编译器提示，告诉它变量将被经常使用，并且明智的做法是将它的值保存在处理器的一个内部寄存器中。

现在，优化器比程序员更有效地确定更有可能被保存到寄存器中的变量，并且优化器并不总是考虑程序员的提示。

所以很多人错误地建议不要使用register关键字。

让我们看看为什么!

register关键字有一个相关的副作用:您不能引用(获取寄存器类型变量的地址)。

建议别人不要使用寄存器的人错误地将此作为附加参数。

然而，知道不能获取寄存器变量的地址这一简单事实，允许编译器(及其优化器)知道该变量的值不能通过指针间接修改。

自己进行测试，您将在大多数内部循环中获得显著的性能改进。

c_register_side_effect_performance_boost

只是一个小演示(没有任何现实世界的目的)进行比较:当在每个变量之前删除register关键字时，这段代码在我的i7 (GCC)上花费了3.41秒，与 register相同的代码在0.7秒内完成。

#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;
}

Storytime !

作为一种语言，C是计算机的抽象。它可以让你做一些事情，就像计算机做的那样，那就是操纵内存，做数学，打印东西，等等。

但是C只是一个抽象概念。最终，它从你中提取的是汇编语言。汇编是CPU读取的语言，如果你使用它，你就会按照CPU的方式做事。CPU是做什么的?基本上，它从记忆中读取，计算，并写入记忆。CPU不只是在内存中计算数字。首先，你必须在CPU内部将一个名为注册的数字从内存移动到内存。一旦你完成了你需要对这个数字做的事情，你可以把它移回正常的系统内存。为什么要使用系统内存呢?寄存器的数量是有限的。在现代处理器中，你只能得到大约100个字节，而老式的流行处理器则受到更大的限制(6502有3个8位寄存器供你免费使用)。一般的数学运算是这样的:

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

很多都是…不是数学。这些加载和存储操作可能会占用一半的处理时间。C语言作为计算机的抽象，使程序员摆脱了使用和摆弄寄存器的烦恼，而且由于不同计算机的寄存器数量和类型不同，C语言将寄存器分配的责任完全交给了编译器。只有一个例外。

当你声明一个变量register时，你是在告诉编译器“哟，我打算让这个变量经常使用和/或短期存在。如果我是你，我会尽量把它记在收银台里。”当C标准说编译器实际上不需要做任何事情时，那是因为C标准不知道你在为什么计算机编译，它可能就像上面的6502，需要所有3个寄存器来操作，并且没有多余的寄存器来保存你的号码。然而，当它说你不能取地址时，那是因为寄存器没有地址。它们是处理器的手。因为编译器不需要给你地址，也因为它根本不可能有地址，所以现在对编译器开放了一些优化。比如说，它可以把这个数字一直保存在一个寄存器中。它不需要担心它存储在计算机内存的哪里(除了需要再次取回它)。它甚至可以将它双关转换为另一个变量，将它交给另一个处理器，将它改变位置，等等。

tl;dr:短期变量，做很多数学运算。不要一次申报太多。

我在QNX 6.5.0下使用以下代码测试了register关键字:

#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;
}

我得到了以下结果:

-> 807679611周期已经过

->系统周期为3300830000次/秒

->周期(秒)~0.244600

现在没有寄存器int:

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

我有:

-> 1421694077周期已经过

->系统周期为3300830000次/秒

->周期为~0.430700秒

GCC 9.3 asm输出，不使用优化标志(这个答案中的所有内容都是指没有优化标志的标准编译):

#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

这迫使ebx被用于计算，这意味着它需要被推入堆栈并在函数结束时恢复，因为它被调用并保存。register产生更多的代码行和1个内存写入和1个内存读取(尽管实际上，如果在esi中进行计算，这可以优化为0 R/ w，这就是使用c++的register4所发生的情况)。不使用register会导致2次写入和1次读取(尽管store to load forwarding会在读取时发生)。这是因为该值必须直接在堆栈上显示和更新，以便通过地址(指针)读取正确的值。register没有这个要求，不能被指向。const和register基本上与volatile相反，使用volatile将覆盖文件和块范围内的const优化以及块范围内的register优化。const register和register将产生相同的输出，因为const在块范围内对C不做任何操作，因此只有register优化适用。

在clang时，register被忽略，但仍会发生const优化。

register关键字是向编译器请求将指定的变量存储在处理器的寄存器中而不是内存中，以提高速度，主要是因为它将被大量使用。编译器可能会忽略该请求。