为什么clang和GCC不使用xchg来实现std :: swap？ XCHG-与寄存器交换寄存器/存储器

问题描述

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

但是它实际编译的是（在-O3 -march=haswell -std=c++20上）：

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

请参见here for a live demo。

根据xchg的文档，第一种形式应该完全可行：

XCHG-与寄存器交换寄存器/存储器

交换目标（第一）和源（第二）操作数的内容。操作数可以是两个通用寄存器，也可以是一个寄存器和一个存储位置。

那么，有什么特殊原因导致编译器无法在此处使用xchg吗？我也尝试了其他示例，例如交换指针，交换三个操作数，交换char以外的类型，但是我在编译输出中从未得到xchg。怎么会来？

解决方法

TL：DR：因为编译器针对速度进行了优化，而不是针对听起来相似的名称进行了优化。他们也可以采用其他许多可怕的方法来实现它，但选择不这样做。

带有内存的xchg具有隐式lock前缀（在386及更高版本上），因此它的运行速度非常慢。除非您需要进行原子交换，或者您完全想要优化代码大小而根本不关心以获得性能，否则您总是要避免它，如果您确实想要结果与原始值在同一寄存器中。有时在幼稚（性能不佳）手写气泡中看到，这是交换2个内存位置的一部分。

可能clang -Oz可能会发疯，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，两个指令都需要REX前缀才能访问DIL，而2-mov方式是2字节和3字节指令。 clang -Oz确实做了push 1 / pop rax之类的事情，而不是mov eax,1来节省2个字节的代码大小。

GCC -Os不会使用xchg进行不需要原子交换的交换，因为-Os仍然在乎速度。

此外，IDK为什么您会认为xchg +依赖mov比两个可以并行运行的独立mov指令更快或更更好的选择。（不管哪个uop首先找到其执行端口，存储缓冲区都确保在加载后正确排序存储。）

参见https://agner.org/optimize/和https://stackoverflow.com/tags/x86/info中的其他链接

严重的是，我只是没有看到您认为编译器可能要使用xchg的任何合理原因，特别是考虑到调用约定未在RAX中传递arg，因此您仍然需要2说明。即使对于寄存器，英特尔CPU上的xchg reg,reg也是3微秒，它们是微代码微秒，不能从移动消除中受益。（某些AMD CPU具有2-uop xchg reg,reg。Why is XCHG reg,reg a 3 micro-op instruction on modern Intel architectures?）

我也猜你在看clang输出；通过movzx eax,byte ptr [rsi]加载来GCC will avoid partial register shenanigans (like false dependencies)，即使返回值只是低字节。零扩展负载要比合并RAX的旧值便宜。这是xchg的另一个缺点。

那么，有什么特殊原因导致编译器无法在此处使用xchg？

因为mov比xchg快，并且编译器针对速度进行了优化。

请参阅：

c++compilation swap