5.1.4 寄存器變量
通過(guò)前面的介紹，我們知道變量在一般情況下都是存在內(nèi)存中的。如果程序需要使用某個(gè)變量，CPU的控制器將通過(guò)一定的尋址方式從內(nèi)存中獲取值，而后再做進(jìn)一步處理。CPU的控制器從內(nèi)存中取得變量值后會(huì)將其暫存在寄存器中。通過(guò)前面的學(xué)習(xí)我們知道，寄存器就是CPU自己的"小內(nèi)存"，它的特點(diǎn)是"容量小、速度快"。在正常情況下，編程語(yǔ)言本身是無(wú)法直接操作寄存器的。但某些時(shí)候，一些變量有可能會(huì)被頻繁地使用到，這時(shí)，頻繁地對(duì)內(nèi)存進(jìn)行存取操作就有可能耗用較多的時(shí)間；如果我們能夠有效地將CPU的寄存器利用起來(lái)，就會(huì)有效地提升程序的運(yùn)行效率。
C語(yǔ)言中使用關(guān)鍵字register來(lái)聲明局部變量為寄存器變量。寄存器變量的值會(huì)被存放在CPU的寄存器中，每當(dāng)需要使用它們時(shí)，CPU就可以直接使用，而無(wú)須再通過(guò)控制器從內(nèi)存中獲取。由于操作寄存器的速度遠(yuǎn)高于操作內(nèi)存，所以正確地使用寄存器變量能夠有效地提高程序運(yùn)行效率。
下面給出了一段使用寄存器變量的示例程序。
- #include"stdio.h"
-
- int fun(int n)
- {
- register int sum = 0;
- for(int i = 1; i <= n; i++)
- sum += i;
- return sum;
- }
-
- void main()
- {
- int result = 0;
- result = fun(1000);
- printf("sum(1000) = %d\n", result);
- }
使用寄存器變量使不是真的使程序的運(yùn)行速度提高了呢？通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)就能回答這個(gè)問(wèn)題，但是由于本書目前還沒(méi)有介紹到這方面的知識(shí)，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行。如果讀者閱讀了本書的第9章，那么就可以使用第9章中所介紹的技術(shù)來(lái)實(shí)際評(píng)估一下上述程序通過(guò)使用寄存器變量而獲得的性能改進(jìn)情況到底如何。
使用寄存器變量需要注意以下一些問(wèn)題。
首先，讀者必須明確只有局部自動(dòng)變量和形式參數(shù)才能夠被定義為寄存器變量，全局變量和局部靜態(tài)變量都不能被定義為寄存器變量。所以，如"register static int a;"這樣的語(yǔ)句就是錯(cuò)誤的！這很容易解釋，全局變量和局部靜態(tài)變量都被放在靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)中，而寄存器變量被放在寄存器中，一個(gè)變量當(dāng)然只能選擇兩種存放方式中的一種。
其次，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的寄存器數(shù)量是有限的，因此不能定義任意多個(gè)寄存器變量。而且對(duì)于不同的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所允許使用的最大寄存器數(shù)量也是不同的。上一節(jié)中我們就介紹過(guò)，在Intel體系中CPU所具有的寄存器個(gè)數(shù)在6~16個(gè)之間，而其他體系的CPU所具有的寄存器數(shù)量可能更多。不同系統(tǒng)上的寄存器數(shù)量可能不同，所以在編程時(shí)所允許使用的寄存器數(shù)量也會(huì)不同。另外，不同系統(tǒng)對(duì)于寄存器變量的處理方式也可能不同，有的系統(tǒng)只允許將 int、char和指針型變量定義為寄存器變量，而有的系統(tǒng)則將寄存器變量當(dāng)作自動(dòng)變量來(lái)看，并不真正把它們存放在寄存器中。
正如上一小節(jié)中所說(shuō)的那樣，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，編譯器已經(jīng)可以非常智能地進(jìn)行許多優(yōu)化工作了，特別是在程序優(yōu)化上，編譯器已經(jīng)比大多數(shù)人做得更好了。目前的編譯器在這方面也有所考慮，它們基本上可以識(shí)別出那些會(huì)被頻繁使用的變量，對(duì)于這些變量編譯器就會(huì)把它們存放在寄存器中，而不需要程序員在代碼中顯式地指定。所以寄存器變量的聲明從某種程度上來(lái)說(shuō)并不是必需的，讀者僅對(duì)此有所知悉即可。這里只是想借C語(yǔ)言中的寄存器變量這種語(yǔ)法技術(shù)來(lái)證明一個(gè)事實(shí)，即操作寄存器的速度的確高于操作內(nèi)存。