为什么解除引用会使我的程序更快？

Question

考虑以下测试程序:

堆栈上的循环值

int main( void ) {
    int iterations = 1000000000;

    while ( iterations > 0 )
        -- iterations;
}

堆栈上的循环值(取消引用)

int main( void ) {
    int iterations = 1000000000;
    int * p = & iterations;

    while ( * p > 0 )
        -- * p;
}

堆上的循环值

#include <stdlib.h>

int main( void ) {
    int * p = malloc( sizeof( int ) );
    * p = 1000000000;

    while ( *p > 0 )
        -- * p;
}

通过使用-O0编译它们,我得到以下执行时间:

case1.c
real    0m2.698s
user    0m2.690s
sys     0m0.003s

case2.c
real    0m2.574s
user    0m2.567s
sys     0m0.000s

case3.c
real    0m2.566s
user    0m2.560s
sys     0m0.000s

[编辑]以下是10次执行的平均值:

case1.c
2.70364

case2.c
2.57091

case3.c
2.57000

为什么第一个测试用例的执行时间更长,这似乎是最简单的？

我目前的架构是x86虚拟机(Archlinux).我用gcc(4.8.0)和clang(3.3)得到了这些结果.

[编辑1]生成的汇编代码几乎完全相同,只是第二个和第三个汇编代码的指令多于第一个.

[编辑2]这些表演是可重复的(在我的系统上).每次执行都具有相同的数量级.

[编辑3]我并不关心非优化程序的表现,但我不明白为什么它会慢一些,我很好奇.

Answer 1

很难说这是不是因为我做了一些猜测而且你没有给出一些细节(比如你正在使用哪个目标).但是,当我在没有使用x86目标进行优化的情况下进行编译时,我看到的是以下序列用于降低iterations变量:

情况1:

L3:
    sub DWORD PTR [esp+12], 1
L2:
    cmp DWORD PTR [esp+12], 0
    jg  L3

案例2:

L3:
    mov eax, DWORD PTR [esp+12]
    mov eax, DWORD PTR [eax]
    lea edx, [eax-1]
    mov eax, DWORD PTR [esp+12]
    mov DWORD PTR [eax], edx
L2:
    mov eax, DWORD PTR [esp+12]
    mov eax, DWORD PTR [eax]
    test    eax, eax
    jg  L3

您在案例1中看到的一个重要区别是L3读取和写入内存位置的指令.紧接着是一条指令,它读取刚刚写入的相同内存位置.这种指令序列(写入的相同存储器位置然后在下一条指令中立即使用)经常导致现代CPU中的某种流水线停顿.

您会注意到案例2中不存在紧接着读取相同位置的写入.

再一次 - 这个答案是一个明智的猜测.