了解汇编程序的原因之一是,有时可以使用汇编程序来编写比用高级语言(特别是C语言)编写的代码性能更好的代码。然而,我也听人说过很多次,尽管这并非完全错误,但实际上可以使用汇编程序来生成性能更好的代码的情况极其罕见,并且需要汇编方面的专业知识和经验。

这个问题甚至没有涉及到这样一个事实,即汇编程序指令将是特定于机器的、不可移植的,或者汇编程序的任何其他方面。当然,除了这一点之外,了解汇编还有很多很好的理由,但这是一个需要示例和数据的具体问题,而不是关于汇编程序与高级语言的扩展论述。

谁能提供一些具体的例子,说明使用现代编译器汇编代码比编写良好的C代码更快,并且您能否用分析证据支持这一说法?我相信这些案例确实存在,但我真的很想知道这些案例到底有多深奥,因为这似乎是一个有争议的问题。


当前回答

几乎任何时候编译器看到浮点代码,如果你使用的是旧的糟糕的编译器,手写的版本会更快。(2019年更新:对于现代编译器来说,这并不普遍。特别是在编译x87以外的东西时;编译器更容易使用SSE2或AVX进行标量数学运算,或任何具有平面FP寄存器集的非x86,不像x87的寄存器堆栈。)

主要原因是编译器不能执行任何健壮的优化。关于这个主题的讨论,请参阅来自MSDN的这篇文章。下面是一个例子,其中汇编版本的速度是C版本的两倍(用VS2K5编译):

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>

float KahanSum(const float *data, int n)
{
   float sum = 0.0f, C = 0.0f, Y, T;

   for (int i = 0 ; i < n ; ++i) {
      Y = *data++ - C;
      T = sum + Y;
      C = T - sum - Y;
      sum = T;
   }

   return sum;
}

float AsmSum(const float *data, int n)
{
  float result = 0.0f;

  _asm
  {
    mov esi,data
    mov ecx,n
    fldz
    fldz
l1:
    fsubr [esi]
    add esi,4
    fld st(0)
    fadd st(0),st(2)
    fld st(0)
    fsub st(0),st(3)
    fsub st(0),st(2)
    fstp st(2)
    fstp st(2)
    loop l1
    fstp result
    fstp result
  }

  return result;
}

int main (int, char **)
{
  int count = 1000000;

  float *source = new float [count];

  for (int i = 0 ; i < count ; ++i) {
    source [i] = static_cast <float> (rand ()) / static_cast <float> (RAND_MAX);
  }

  LARGE_INTEGER start, mid, end;

  float sum1 = 0.0f, sum2 = 0.0f;

  QueryPerformanceCounter (&start);

  sum1 = KahanSum (source, count);

  QueryPerformanceCounter (&mid);

  sum2 = AsmSum (source, count);

  QueryPerformanceCounter (&end);

  cout << "  C code: " << sum1 << " in " << (mid.QuadPart - start.QuadPart) << endl;
  cout << "asm code: " << sum2 << " in " << (end.QuadPart - mid.QuadPart) << endl;

  return 0;
}

和一些数字从我的PC运行默认版本*:

  C code: 500137 in 103884668
asm code: 500137 in 52129147

出于兴趣,我用dec/jnz交换了循环,它对计时没有影响——有时更快,有时更慢。我想内存有限的方面使其他优化相形见绌。(编者注:更可能的情况是,FP延迟瓶颈足以隐藏循环的额外成本。对奇数/偶数元素并行进行两个Kahan求和,并在最后添加它们,可能会加快2倍的速度。)

哎呀,我正在运行一个稍微不同的代码版本,它输出的数字是错误的(即C更快!)修正并更新了结果。

其他回答

在历史上插话。

当我还年轻的时候(20世纪70年代),根据我的经验,汇编是很重要的,更重要的是代码的大小,而不是代码的速度。

如果一个高级语言的模块是1300字节的代码,但该模块的汇编版本是300字节,那么当您试图将应用程序装入16K或32K的内存时,这1K字节就非常重要。

那时候编译器还不是很好。

在老式的Fortran中

X = (Y - Z)
IF (X .LT. 0) THEN
 ... do something
ENDIF

当时的编译器在X上执行了一个SUBTRACT指令,然后是一个TEST指令。 在汇编程序中,您只需在减法之后检查条件代码(LT零,零,GT零)。

对于现代系统和编译器来说,这些都不是问题。

我认为理解编译器在做什么仍然很重要。 当您使用高级语言编写代码时,您应该了解什么允许或阻止编译器执行循环展开。

当编译器执行“类似分支”的操作时,使用管道内衬和包含条件的前瞻计算。

当执行高级语言不允许的事情时,仍然需要汇编程序,比如读取或写入处理器特定的寄存器。

但在很大程度上,普通程序员不再需要它,除非对代码如何编译和执行有基本的了解。

我很惊讶居然没人这么说。如果用汇编编写strlen()函数,速度会快得多!在C中,你能做的最好的事情就是

int c;
for(c = 0; str[c] != '\0'; c++) {}

在组装过程中,你可以大大加快速度:

mov esi, offset string
mov edi, esi
xor ecx, ecx

lp:
mov ax, byte ptr [esi]
cmp al, cl
je  end_1
cmp ah, cl
je end_2
mov bx, byte ptr [esi + 2]
cmp bl, cl
je end_3
cmp bh, cl
je end_4
add esi, 4
jmp lp

end_4:
inc esi

end_3:
inc esi

end_2:
inc esi

end_1:
inc esi

mov ecx, esi
sub ecx, edi

长度单位是ecx。这一次比较4个字符,所以速度快4倍。并且考虑使用eax和ebx的高阶词,它将比之前的C例程快8倍!

我需要对192位或256位的每次中断进行移位操作,每50微秒发生一次。

它通过一个固定的映射(硬件限制)实现。使用C语言,制作它只需要大约10微秒。当我把它翻译到Assembler时,考虑到这个映射的特定特性,特定的寄存器缓存,并使用面向位的操作;它只花了不到3.5微秒的时间。

在处理器速度以MHz为单位,屏幕尺寸低于100万像素的时代,一个众所周知的更快显示的技巧是展开循环:为屏幕的每个扫描行写操作。它避免了维护循环索引的开销!再加上检测屏幕刷新,它非常有效。 这是C编译器不会做的事情……(虽然通常可以在速度优化和规模优化之间进行选择,但我认为前者使用了一些类似的技巧。)

我知道有些人喜欢用汇编语言编写Windows应用程序。他们声称他们更快(很难证明)和更小(确实如此!)。 显然,虽然这样做很有趣,但可能会浪费时间(当然,学习目的除外!),特别是对于GUI操作…… 现在,也许某些操作(比如在文件中搜索字符串)可以通过精心编写的汇编代码进行优化。

简短的回答吗?有时。

从技术上讲,每一个抽象都有成本,而编程语言是CPU如何工作的抽象。然而C非常接近。几年前,我记得当我登录UNIX帐户并收到以下财富信息时(当时这种东西很流行),我笑出声来:

C程序设计语言——A 语言结合了 汇编语言的灵活性 汇编语言的强大。

这很有趣,因为这是真的:C就像可移植的汇编语言。

值得注意的是,汇编语言无论如何编写都可以运行。然而,在C语言和它生成的汇编语言之间有一个编译器,这是非常重要的,因为你的C代码有多快与你的编译器有多好有很大关系。

当gcc出现时,它如此受欢迎的原因之一是它通常比许多商业UNIX版本附带的C编译器要好得多。它不仅是ANSI C(没有任何K&R C的垃圾),更健壮,通常能产生更好(更快)的代码。不是总是,而是经常。

我告诉你这一切是因为没有关于C和汇编器速度的统一规则,因为C没有客观的标准。

同样地,汇编程序也会根据你正在运行的处理器、你的系统规格、你正在使用的指令集等而有很大的不同。历史上有两个CPU体系结构家族:CISC和RISC。CISC中最大的玩家过去是,现在仍然是Intel x86架构(和指令集)。RISC主宰了UNIX世界(MIPS6000、Alpha、Sparc等等)。CISC赢得了民心之战。

不管怎样,当我还是一个年轻的开发人员时,流行的观点是,手写的x86通常比C快得多,因为架构的工作方式,它的复杂性受益于人类的操作。另一方面,RISC似乎是为编译器设计的,所以没有人(我知道)写Sparc汇编器。我相信这样的人确实存在,但毫无疑问,他们现在都疯了,被送进了精神病院。

指令集是一个重要的点,即使在同一家族的处理器。某些英特尔处理器具有SSE到SSE4等扩展。AMD有他们自己的SIMD指令。像C这样的编程语言的好处是,人们可以编写他们的库,以便对您运行的任何处理器进行优化。这在汇编程序中是一项艰苦的工作。

你仍然可以在汇编程序中做一些编译器无法做的优化,一个编写良好的汇编程序算法将会和它的C等效程序一样快或更快。更大的问题是:这样做值得吗?

Ultimately though assembler was a product of its time and was more popular at a time when CPU cycles were expensive. Nowadays a CPU that costs $5-10 to manufacture (Intel Atom) can do pretty much anything anyone could want. The only real reason to write assembler these days is for low level things like some parts of an operating system (even so the vast majority of the Linux kernel is written in C), device drivers, possibly embedded devices (although C tends to dominate there too) and so on. Or just for kicks (which is somewhat masochistic).