关系与逻辑运算的反汇编与优化

写在前面

本文讨论了c/c++中关系和逻辑运算的反汇编变现形式以及优化方案，旨在记录笔者的学习过程，也希望对各位读者有所帮助。

关系运算

首先我们来说说关系运算，关系运算有大于、等于、小于、大于等于、小于等于等等。不同的关系运算对应的汇编跳转指令是不一样的。接下来给出一张表，表中列出了汇编跳转指令的含义以及检查的标志位。

表达式短路

现在我们来看看短路与和短路或在汇编层面的表示形式。

先看看短路与，短路与的真值条件为两个表达式为真才为真，下面给出我们的示例代码：

#include <stdio.h>

int accumulation(int n)
{
	n && (n += accumulation(n - 1));

	return n;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	accumulation(10);

	return 0;
}

代码十分简单，使用了递归来求累加和。在debug编译选项下生成程序，我们来看看程序的汇编形式。

我们可以看到，程序先用0和n相比较，使je指令进行跳转，跳转的地址是函数的返回语句处。如果跳转失败，则递减n的值，继续调用递归函数。将汇编代码和源代码对比一下，很容易想通其中的关系。

接下来我们使用短路或实现上述程序的功能。源代码如下：

#include <stdio.h>

int accumulation(int n)
{
	(n == 0) || (n += accumulation(n - 1));

	return n;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	accumulation(10);

	return 0;
}

对应的汇编代码如下：

对比短路与的汇编代码我们可以发现，两种短路虽然逻辑不同，但对应的汇编代码却是相同的。

三目运算

许多人想当然地认为三目运算就是按照普通的分支跳转来编译，其实不然，编译器会根据三目运算表达式的不同来进行优化。由于现代处理器的特性，编译器会尽可能地避免生成包含条件分支跳转的代码（以后会专门出一篇短文章介绍现代处理器的分支预测功能）。

三目运算的基本表现形式为：A ？ B : C。对A、B、C三个表达式的以下四种情况，编译器会做出无分支优化：

1. 表达式A为简单比较，而表达式B和表达式C两者为常量且差值等于1。
2. 表达式B和表达式C两者为常量且差值大于1。
3. 表达式B或表达式C有变量。
4. 表达式或B表达式C有变量表达式。

此外，当表达式A为常量表达式时，编译器会在编译期得出结果，不会生成汇编代码。接下来我们来分情况讨论。

第一情况的优化

第一种情况是表达式A为简单表达式，B、C为常量且差值为1。我们先给出源代码：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	printf("n = %d\n", argc == 5 ? 5 : 6);

	return 0;
}

我们在Release编译选项下生成并调试代码，反汇编窗口如下图：

可以看到，在第三行使用了cmp指令对5和argc进行比较，在加载了printf函数的第一个参数的地址后，执行了setne指令，这条指令的意思是：将edx寄存器的值设置为对ZF标志的值取反。我们知道，cmp指令影响的标志位之一就是ZF位，ZF标志位是0标志位，相关指令执行后结果为0那么ZF=1,结果不为0则ZF=0。在这里，cmp指令的两个擦作数如果相等，则比较结果为0，此时ZF为1，反之ZF则为0。由此不难理解，编译器把分支跳转指令优化为了串行指令，避免了分支预测错误带来对性能的影响。

第二种情况的优化

第二种情况是表达式B、C为常量且差值大于1

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	printf("%d\n", argc > 5 ? 4 : 10);

	return 0;
}

同样在Release模式下编译并调试代码：

在调用printf函数之前，调用了cmovg条件传输指令，意思是比较结果大于则执行传输。结合前面的cmp指令和mov指令，不难看出编译器的优化之处。

第三种情况的优化

第三种情况是表达式B、C其中一个为变量表达式。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	int n1, n2;
	scanf_s("%d %d", &n1, &n2);
	printf("%d \n", argc ? n1 : n2);

	return 0;
}

我们可以看到，这里同样使用了cmovne指令进行优化，把分支语句变为了无分支语句。

第四种优化情况

最后一种情况是表达式B、C均为变量表达式。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	int n1, n2;
	scanf_s("%d %d", &n1, &n2);
	printf("%d \n", argc ? n1 : n2 + 3);

	return 0;
}

可以看到，对于第四种情况，编译器没有做出什么优化，只是使用简单的分支跳转语句。这会触发处理器的分支预测机制，因此在复杂的条件表达式中，使用分支通常比使用条件传送的性能更高。