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提高代码执行效率的几个小技巧

2019-01-22

前言

目录

一、方法参数限制

ARM64 有34个寄存器,包括 31 个通用寄存器( x0-x30)、SP、PC、CPSR。

x0 - x30 是31个通用整型寄存器。每个寄存器可以存取一个 64 位大小的数。 当使用 r0 - r30 访问时,它就是一个 64 位的数。当使用 w0 - w30 访问时,访问的是这些寄存器的低 32 位。

寄存器位数描述
x0-x3064bit通用寄存器,如果有需要可以当做32bit使用:WO-W30
FP(x29)64bit保存栈帧地址(栈底指针)
LR(x30)64bit通常称X30为程序链接寄存器,保存子程序结束后需要执行的下一条指令
SP64bit保存栈指针,使用 SP/WSP来进行对SP寄存器的访问
PC64bit程序计数器,俗称PC指针,总是指向即将要执行的下一条指令,在arm64中,软件是不能改写PC寄存器的
CPSR64bit状态寄存器

Xcode 在真机中运行项目,添加断点 LLDB 中查看各寄存器状态register read

CPU 由寄存器、运算器、控制器三部分组成,其中寄存器的主要作用是用于存储信息。可以理解为是内存的一种,但是比内存高效的多。ARM64 中 X0 - X7 寄存器主要用于子程序调用时的参数传递,如果方法传递的参数过多,寄存器不够使用,此时会将多余的参数直接存放于函数调用栈中。而栈主要存在于内存中,相比寄存器而言速度会慢很多,所以 iOS 实际开发中应注意参数传递个数,参数传递过多,一定程度会降低代码执行速度。不同平台情况不一样,64 位 AT&T 汇编中 %rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9、%r10等寄存器用于存放函数参数,还有一些平台可能直接使用栈保存函数参数,此种情况理论上参数个多对代码执行效率没有太多影响。

int sum(int a,int b,int c, int d,int e,int f,int g,int h,int i,int j,int k){
    return a + b + c + d + e + f + g + h;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int num = sum(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11);
        NSLog(@"%d",num);
    }
    return 0;
}

上述代码对应的 64 位AT&T 汇编代码如下。仔细观察下面汇编代码,从第 13 行开始,涉及 rsp 指针的加减操作,说明之后的参数存在于栈区(对栈进行读写的内存地址编号是由 rsp 寄存器进行管理的。push 指令和 pop 指令运行后,esp 寄存器的值会自动进行更新,push 指令 rsp 减少,pop 命令 rsp 增加)。 也即前 7 个参数存在于寄存器中(%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9、%r10),后 4 个参数保存在栈中。

    0x100000eb2 <+34>:  movl   $0x1, %edi
    0x100000eb7 <+39>:  movl   $0x2, %esi
    0x100000ebc <+44>:  movl   $0x3, %edx
    0x100000ec1 <+49>:  movl   $0x4, %ecx
    0x100000ec6 <+54>:  movl   $0x5, %r8d
    0x100000ecc <+60>:  movl   $0x6, %r9d
    0x100000ed2 <+66>:  movl   $0x7, %r10d
    0x100000ed8 <+72>:  movl   $0x8, %r11d
    0x100000ede <+78>:  movl   $0x9, %ebx
    0x100000ee3 <+83>:  movl   $0xa, %r14d
    0x100000ee9 <+89>:  movl   $0xb, %r15d
    0x100000eef <+95>:  movl   $0x7, (%rsp)
    0x100000ef6 <+102>: movl   $0x8, 0x8(%rsp)//第13行
    0x100000efe <+110>: movl   $0x9, 0x10(%rsp)
    0x100000f06 <+118>: movl   $0xa, 0x18(%rsp)
    0x100000f0e <+126>: movl   $0xb, 0x20(%rsp)
    0x100000f16 <+134>: movq   %rax, -0x40(%rbp)
    0x100000f1a <+138>: movl   %r15d, -0x44(%rbp)
    0x100000f1e <+142>: movl   %r14d, -0x48(%rbp)
    0x100000f22 <+146>: movl   %ebx, -0x4c(%rbp)
    0x100000f25 <+149>: movl   %r11d, -0x50(%rbp)
    0x100000f29 <+153>: movl   %r10d, -0x54(%rbp)
    0x100000f2d <+157>: callq  0x100000e30               ; sum at main.m:11

二、反汇编 switch case & if else

2.1 反汇编 if else

int a = 1;
if (a > 1) {
     NSLog(@"a > 1");
}else if(a > 2){
      NSLog(@"a > 2");
 }else{
       NSLog(@"a <= 1");
 }

上述代码对应的汇编代码如下。第 3 行表示比较 1 和 a 的值,第 5 行表示如果 a <= 1,则跳转到指令0x100000f16处,也即第 11 行,其中 jle 中的 l和 e 的含义分别是 lower 和 equal; 否则输出 a > 1,对应第 6 行。后面的判断依次类推,依次对if 、else if分支做判断,找到对应的分支后,直接跳过所有分支。

    1 、0x100000ee6 <+22>:  callq  0x100000f6a               ; symbol stub for: objc_autoreleasePoolPush
    2、 0x100000eeb <+27>:  movl   $0x1, -0x14(%rbp)
    3、0x100000ef2 <+34>:  cmpl   $0x1, -0x14(%rbp)
    4、0x100000ef6 <+38>:  movq   %rax, -0x20(%rbp)
    5、0x100000efa <+42>:  jle    0x100000f16               ; <+70> at main.m:16
    6、0x100000f00 <+48>:  leaq   0x121(%rip), %rax         ; @"a > 1"
    7、0x100000f07 <+55>:  movq   %rax, %rdi
    8、0x100000f0a <+58>:  movb   $0x0, %al
    9、0x100000f0c <+60>:  callq  0x100000f5e               ; symbol stub for: NSLog
    10、0x100000f11 <+65>:  jmp    0x100000f4c               ; <+124> at main.m:21
    11、0x100000f16 <+70>:  cmpl   $0x2, -0x14(%rbp)
    12、0x100000f1a <+74>:  jle    0x100000f36               ; <+102> at main.m
    13、0x100000f20 <+80>:  leaq   0x121(%rip), %rax         ; @"a > 2"
    14、0x100000f27 <+87>:  movq   %rax, %rdi
    15、0x100000f2a <+90>:  movb   $0x0, %al
    16、0x100000f2c <+92>:  callq  0x100000f5e               ; symbol stub for: NSLog
    17、0x100000f31 <+97>:  jmp    0x100000f47               ; <+119> at main.m
    18、0x100000f36 <+102>: leaq   0x12b(%rip), %rax         ; @"a <= 1"
    19、0x100000f3d <+109>: movq   %rax, %rdi
    20、0x100000f40 <+112>: movb   $0x0, %al
    21、0x100000f42 <+114>: callq  0x100000f5e               ; symbol stub for: NSLog
    22、0x100000f47 <+119>: jmp    0x100000f4c               ; <+124> at main.m:21
    23、 0x100000f4c <+124>: movq   -0x20(%rbp), %rdi
    24、0x100000f50 <+128>: callq  0x100000f64               ; symbol stub for: objc_autoreleasePoolPop

顺便补充一点,当编译器的Optional Level设置为Fastest,Smallest[-OS]是,会发现汇编代码少了前面两个分支的判断直接来到最后的else分支,这是因为编译器对代码做了优化,所以一般打 release 包,往往选择这个选项。

2.2 反汇编switch case

int a = 5;        
        switch (a) {
            case 1:
                NSLog(@"1");
                break;
            case 2:
                NSLog(@"2");
                break;
            case 3:
                NSLog(@"3");
                break;
            case 4:
                NSLog(@"4");
                break;
            case 5:
                NSLog(@"5");
                break;
            default:
                NSLog(@"default");
                break;
        }

上述代码对应的汇编代码如下。第 1 行表明如果不满足各种 case 条件,直接来到 default 分支。第 6 行中的 rdx寄存器是重点,里面保存着下一条指令的地址,LLDB 中输入p/x $rdx,输出结果为(unsigned long) $0 = 0x0000000100000f09,也即直接到case 为 5 的分支,其中的 x 表示打印 16 进制,$是打印寄存器值的标识符号。第四行相当于rdx = rax + rcx * 4,也即利用基址加上 间隔 * 4 找到下一条指令的位置,总的来说内部实现是空间换时间的做法,所以理论上 switch case 的效率要优于 if else。但是有一种特殊情况,当各个 case 值相差较大时,不可能提前创建好一大片连续空间,否则会造成空间的严重浪费,此种情况反汇编出的代码基本和 if else 的逻辑类似,此时两者的效率大致是等价的。

    1、0x100000e97 <+55>:  ja     0x100000f1f               ; <+191> at main.m
    2、0x100000e9d <+61>:  leaq   0xa0(%rip), %rax          ; main + 228
    3、0x100000ea4 <+68>:  movq   -0x28(%rbp), %rcx
    4、0x100000ea8 <+72>:  movslq (%rax,%rcx,4), %rdx
    5、0x100000eac <+76>:  addq   %rax, %rdx
    6、0x100000eaf <+79>:  jmpq   *%rdx
    7、0x100000eb1 <+81>:  leaq   0x170(%rip), %rax         ; @"'1'"
    8、0x100000eb8 <+88>:  movq   %rax, %rdi
    9、0x100000ebb <+91>:  movb   $0x0, %al
    10、0x100000ebd <+93>:  callq  0x100000f58               ; symbol stub for: NSLog
    11、0x100000ec2 <+98>:  jmp    0x100000f30               ; <+208> at main.m:44
    12、0x100000ec7 <+103>: leaq   0x17a(%rip), %rax         ; @"'2'"
    13、0x100000ece <+110>: movq   %rax, %rdi
    14、0x100000ed1 <+113>: movb   $0x0, %al
    15、0x100000ed3 <+115>: callq  0x100000f58               ; symbol stub for: NSLog
    16、0x100000ed8 <+120>: jmp    0x100000f30               ; <+208> at main.m:44
    17、0x100000edd <+125>: leaq   0x184(%rip), %rax         ; @"'3'"
    18、0x100000ee4 <+132>: movq   %rax, %rdi
    19、0x100000ee7 <+135>: movb   $0x0, %al
    20、0x100000ee9 <+137>: callq  0x100000f58               ; symbol stub for: NSLog
    21、0x100000eee <+142>: jmp    0x100000f30               ; <+208> at main.m:44
    22、0x100000ef3 <+147>: leaq   0x18e(%rip), %rax         ; @"'4'"
    23、0x100000efa <+154>: movq   %rax, %rdi
    24、0x100000efd <+157>: movb   $0x0, %al
    25、0x100000eff <+159>: callq  0x100000f58               ; symbol stub for: NSLog
    26、0x100000f04 <+164>: jmp    0x100000f30               ; <+208> at main.m:44
    27、0x100000f09 <+169>: leaq   0x198(%rip), %rax         ; @"'5'"
28、 0x100000f10 <+176>: movq   %rax, %rdi
    29、0x100000f13 <+179>: movb   $0x0, %al
    30、0x100000f15 <+181>: callq  0x100000f58               ; symbol stub for: NSLog
   31、 0x100000f1a <+186>: jmp    0x100000f30               ; <+208> at main.m:44
    32、0x100000f1f <+191>: leaq   0x1a2(%rip), %rax         ; @"default"
    33、0x100000f26 <+198>: movq   %rax, %rdi
    34、0x100000f29 <+201>: movb   $0x0, %al
    35、0x100000f2b <+203>: callq  0x100000f58               ; symbol stub for: NSLog

PS:不是很熟悉汇编,只是简单做一些了解,写的很浅显。

三、C 中写汇编代码

由于汇编更接近机器语言,能够直接对硬件进行操作,生成的程序与其他的语言相比具有更高的运行速度,占用更小的内存,因此在一些对时效性要求很高的程序,大型程序的核心模块以及工业控制方面大量应用。很多 C 语言三方库为了提升代码执行效率,有时会在 C 代码中插入汇编语言,比如 OC 的 runtime 源码中,其中就有部分代码是汇编代码。这里就举个简单的例子,以 AT&T 汇编实现int add(int a, int b)函数。简单说明下 AT&T 汇编中,%rax作为函数返回值使用,%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9、%r10等寄存器用于存放函数参数。

//add.h 文件
#ifndef add_h
#define add_h
int add(int a, int b);
#endif /* add_h */
//add.s 文件
//1、.global _add 表示公开方法,否则是私有方法
//2、汇编代码对应的函数名要加 _
//3、di 和 si 一般用于存放参数,ax用于存放返回值
.global _add

_add:
    //rdi寄存器存放的参数赋值给rax寄存器
    movq %rdi,%rax;
    //rsi寄存器存放的参数加上rax寄存器值,然后赋值给rax
    addq %rsi,%rax
    //函数调用结束
    retq

另外,很多高级语言底层都是 C 或 C++ 编写,一些对性能要求比较高的地方,必要时候可以混入 C 或 C++ 代码。比如移动端高德地图上很多线路等底层绘制都是通过 OpenGL 完成。如果想在高德地图上绘制上自己的相关需求模型,可以借助 C++ 编写 OpenGL 相关代码。该种方式要比直接在地图上直接自定义控件等方式效率要高上很多。

四、 __builtin_expect 分支执行概率(贪心算法思路数据压缩)

4.1 __builtin_expect

__builtin_expect 是对 if 语句的预言,该指令可以告诉编译器最有可能执行的代码,从而编译器进行优化,通俗来讲就是告诉编译器执行 if 和 else 哪个是大概率事件。__builtin_expect(EXP, N) 表示 EXP == N 是大概率事件。