如果距开始位置 <128 字节，则更快地访问结构成员？

Question

从Anger Fog 的 C++ optimization manual，我读到：

如果成员相对于结构或类的开头的偏移量小于 128，则访问数据成员的代码会更加紧凑，因为偏移量可以表示为 8 位有符号数。如果相对于结构或类的开头的偏移量是 128 字节或更多，则偏移量必须表示为 32 位数字（指令集在 8 位和 32 位偏移量之间没有任何内容）。例子：

// Example 7.40
class S2 {
public:
int a[100]; // 400 bytes. first byte at 0, last byte at 399
int b; // 4 bytes. first byte at 400, last byte at 403
int ReadB() {return b;}
};

这里 b 的偏移量为 400。任何通过指针或成员函数（如 ReadB）访问 b 的代码都需要将偏移量编码为 32 位数字。如果 a 和 b 交换，则可以使用编码为 8 位有符号数的偏移量访问两者，或者根本没有偏移量。这使得代码更紧凑，从而更有效地使用代码缓存。因此，建议将大数组和其他大对象放在结构或类声明的最后，最常用的数据成员放在最前面。如果不可能在前 128 个字节中包含所有数据成员，则将最常用的成员放在前 128 个字节中。

我曾尝试这样做，我看到在这个测试程序的组件输出没有什么区别，如图所示在这里：

class S2 {
public:
    int a[100]; // 400 bytes. first byte at 0, last byte at 399
    int b; // 4 bytes. first byte at 400, last byte at 403
    int ReadB() { return b; }
};

// Changed order of variables a and b!
class S3 {
public:
    int b; // 4 bytes. first byte at 400, last byte at 403
    int a[100]; // 400 bytes. first byte at 0, last byte at 399
    int ReadB() { return b; }
};

int main()
{
    S3 s3; s3.b = 32;
    S2 s2; s2.b = 16;
}

输出是

push    rbp
mov     rbp, rsp
sub     rsp, 712
mov     DWORD PTR [rbp-416], 32
mov     DWORD PTR [rbp-432], 16
mov     eax, 0
leave
ret

显然，mov DWORD PTR用于这两种情况。

1. 有人可以解释为什么会这样吗？
2. 有人可以解释什么是“指令集在 8 位和 32 位偏移之间没有任何内容”（我是 ASM 的新手）以及该声明表明我应该在 ASM 中看到什么？

Answer 1

您应该查看 asm ReadB，而不是main; 但由于它们是内联定义的，除非您调用它们（然后它将与调用函数的代码混合在一起），否则不会生成 asm。让我们将它们移出线以使其更容易。

class S2 {
public:
    int a[100];
    int b;
    int ReadB();
};

int S2::ReadB() { return b; }

等等。

此外，仅查看 asm 代码不会向您显示指令的大小。您想查看实际的机器代码字节。在 Godbolt 中检查“输出：编译为二进制”会做到这一点；在真机上，您可以编译为目标文件并转储objdump --disassemble显示机器代码的类似反汇编工具进行。

有关更新版本，请参阅https://godbolt.org/z/bf7KjK。

这些函数中的每一个都接受一个this指针 in rdi，并且需要this->b移入eax。所以它需要从内存中的 rdi 给出的地址加上b相关类中的偏移量加载一个双字。现在你可以看到：

• 当b是之后a，你得到8b 87 90 01 00 00（6 个字节）mov eax, DWORD PTR [rdi+0x190]

• 当b是在课程的最开始时，您将获得8b 07（2 个字节）mov eax, DWORD PTR [rdi]

• 如果b是以前a，但一个新的后int会员other，你得到8b 47 04的 mov eax, DWORD PTR [rdi+0x4]。

这里使用了三种不同的寻址模式，可以通过三种方式指定要加载的地址：

• 作为寄存器（指令需要两个字节），

• 作为一个寄存器加上一个有符号的 8 位位移（占用 1 个额外的字节），

• 作为一个寄存器加上一个有符号的 32 位位移（占用 4 个额外的字节）。

如果必要的位移不为零但适合 8 位，则可以使用第二种形式。如果不是，那么您将陷入第三种形式，使您的代码大 3 个字节。（正如 prl 指出的那样，这并不一定会使它变慢，但它往往会变慢，因为它会消耗更多宝贵的缓存。）

“Nothing between”是指您可能希望有一种形式，例如，具有 16 位位移，这对于位移来说足够大，400但仅使用两个额外的字节。但没有。