为什么 clang 和 GCC 不使用 xchg 来实现 std::swap？

Question

我有以下代码：

char swap(char reg, char* mem) {
    std::swap(reg, *mem);
    return reg;
}

我希望这可以编译为：

swap(char, char*):
    xchg    dil, byte ptr [rsi]
    mov     al, dil
    ret

但它实际编译成的是 (at -O3 -march=haswell -std=c++20)：

swap(char, char*):
    mov     al, byte ptr [rsi]
    mov     byte ptr [rsi], dil
    ret

见这里进行了现场演示。

从 的文档中xchg，第一种形式应该是完全可能的：

XCHG - 用寄存器交换寄存器/内存

交换目标（第一个）和源（第二个）操作数的内容。操作数可以是两个通用寄存器或一个寄存器和一个内存位置。

那么编译器不能xchg在这里使用有什么特别的原因吗？我也尝试过其他示例，例如交换指针、交换三个操作数、交换类型以外的其他类型，char但我从未xchg在编译输出中得到 an 。怎么来的？

Answer 1

TL:DR：因为编译器针对速度进行优化，而不是针对听起来相似的名称。还有很多其他可怕的方式他们也可以实施它，但选择不这样做。

带有 mem 的 xchg 有一个隐式lock前缀（在 386 及更高版本上），所以它非常慢。你总是想避免它，除非你需要一个原子交换，或者对代码大小完全没有优化关爱所有的性能，在你想要的结果，同一个寄存器的原始值的情况。有时在天真（性能无视）或代码高尔夫手写冒泡排序中看到，作为交换 2 个内存位置的一部分。

可能clang -Oz会变得疯狂，IDK，但希望在这种情况下不会，因为您的 xchg 方式是更大的代码大小，需要在两条指令上使用 REX 前缀来访问 DIL，而 2-mov 方式是一个 2 字节和一个3 字节指令。 clang -Oz确实会做push 1/pop rax之类的事情，而不是mov eax, 1节省 2 字节的代码大小。

GCC-Os将不使用xchg的不需要是原子的，因为掉期-Os仍在乎一些关于速度。

另外，IDK 为什么你会认为 xchg + 依赖 mov 会比两个mov可以并行运行的独立指令更快或更好的选择。（存储缓冲区确保存储在加载后正确排序，无论哪个 uop 首先发现其执行端口空闲）。

见https://agner.org/optimize/和其他环节https://stackoverflow.com/tags/x86/info

说真的，我只是看不出有什么合理的理由让您认为编译器可能想要使用xchg，尤其是考虑到调用约定没有在 RAX 中传递参数，因此您仍然需要 2 条指令。即使对于寄存器，xchg reg,reg在 Intel CPU 上也是 3 uops，它们是无法从 mov-elimination 中受益的微码 uops。（有些 AMD CPU 有 2-uop xchg reg,reg。 为什么 XCHG reg, reg 是现代 Intel 架构上的 3 micro-op 指令？）

我也猜你在看 clang 输出；即使返回值只是低字节，GCC 也会通过使用movzx eax, byte ptr [rsi]加载来避免部分寄存器恶作剧（如错误依赖）。零扩展负载比合并到 RAX 的旧值更便宜。所以这是xchg.