C语言中去除不必要的内存引用可以有效地提高性能

在C语言中，我们经常会存在对某个内存地址进行引用的操作，也就是如下列代码所示的，对指针进行取内容：

int vars[10];
int var = *(vars+3); //这里就是对数组vars的第三个元素进行引用

这种内存引用操作对应的汇编代码通常如：

mov (%rax), %rdx; 
# 把地址位于%rax的内存值进行取出。
mov 12(%rax), %rdx;
# 把地址位于%rax+12的内存值进行取出。

我们注意到这种操作涉及到了CPU从数据总线中向内存中取值，通常速度远远慢于CPU本身的计算操作，也慢于CPU取出内部寄存器值的操作，很多时候，一个程序的计算瓶颈就在这些去内存的操作中，因此要尽量避免不必要的内存引用。以下举个代码例子进行进一步说明。

// code_1.c
#include <stdio.h>
void foo(float vars[], int length, float *sum){
	int i = 0;
	for (i = 0; i < length; i++){
		*sum = *sum * vars[i];
	}
}

int main(){
	float sum = 1;
	float vars[] = {0.3,0.4,0.13,0.65,0.23,0.87,0.2,1.34};
	int cycle = 0;
	for (cycle = 0; cycle < 100000000; cycle++){
		foo(vars, 8, &sum);
		sum = 1;
	}
	return 0;
}

// code_2.c
#include <stdio.h>
void foo(float vars[], int length, float *sum){
	int i = 0;
	int tmp = *sum;
	for (i = 0; i < length; i++){
		tmp = tmp * vars[i];
	}
	*sum = tmp;
}

int main(){
	float sum = 1;
	float vars[] = {0.3,0.4,0.13,0.65,0.23,0.87,0.2,1.34};
	int cycle = 0;
	for (cycle = 0; cycle < 100000000; cycle++){
		foo(vars, 8, &sum);
		sum = 1;
	}
	return 0;
}

code_1.c和code_2.c的差别很小，就是在于函数foo()中关于sum这个指针的指向的内容的更新方式，第一种方式是每一个循环中都进行更新，显然其需要更多但是却没必要的内存引用，第二种通过一个临时变量的形式，避免了多次频繁无用地访问内存。观察其两者的汇编，就会发现和我们之前分析的是一致的。我们采用-O1优化选项，命令如：

gcc -O1 -S code_1.c
gcc -O1 -S code_2.c

汇编结果如下所示(以下汇编只是截取部分关键信息)

# code_1.s
.L3:
	movss (%rdx), %xmm0
	mulss (%rax), %xmm0
	movss %xmm0, (%rdx)
	addq %4, %rax
	cmpq %rcx, %rax
	jne .L3

而第二个则简单很多

# code_1.s
.L3:
	mulss (%rax), %xmm0
	addq %4, %rax
	cmpq %rcx, %rax
	jne .L3

我们发现，第一个代码比起第二个代码多出很多内存引用操作，其需要从内存中取出乘数 movss (%rdx), %xmm0，计算完之后，有需要更新，将其写回内存， movss %xmm0, (%rdx)。导致其性能逊于后者。在笔者的服务器上，两者的性能具体对比为：code 1跑了0.54s，而code 2跑了0.37s。

同时我们发现，编译器很难对此进行优化，在-O1优化等级下，其表现和我们分析的并没有区别（某些编译器优化会导致代码分析和实际的汇编有所区别），其还没有能够智能到对这种进行优化，因此需要程序员对此进行显式地优化。