“Daftarkan” kata kunci dalam C?

Apa yang dilakukan registerkata kunci dalam bahasa C? Saya telah membaca bahwa ini digunakan untuk mengoptimalkan tetapi tidak didefinisikan dengan jelas dalam standar apa pun. Apakah masih relevan dan jika demikian, kapan Anda akan menggunakannya?

Ini adalah petunjuk bagi kompiler bahwa variabel akan banyak digunakan dan Anda merekomendasikannya disimpan dalam register prosesor jika memungkinkan.

Kebanyakan kompiler modern melakukannya secara otomatis, dan lebih baik dalam memilih mereka daripada kita manusia.

Saya terkejut bahwa tidak ada yang menyebutkan bahwa Anda tidak dapat mengambil alamat variabel register, bahkan jika kompiler memutuskan untuk menyimpan variabel dalam memori daripada dalam register.

Jadi menggunakan registerAnda tidak menang apa-apa (kompiler tetap akan memutuskan sendiri di mana menempatkan variabel) dan kehilangan &operator - tidak ada alasan untuk menggunakannya.

Ini memberitahu kompiler untuk mencoba menggunakan register CPU, bukan RAM, untuk menyimpan variabel. Register ada di CPU dan jauh lebih cepat diakses daripada RAM. Tapi itu hanya saran untuk kompiler, dan mungkin tidak bisa ditindaklanjuti.

Saya tahu pertanyaan ini tentang C, tetapi pertanyaan yang sama untuk C ++ ditutup sebagai duplikat yang tepat dari pertanyaan ini. Karena itu jawaban ini mungkin tidak berlaku untuk C.

Draf terbaru standar C ++ 11, N3485 , mengatakan ini dalam 7.1.1 / 3:

Sebuah registerspecifier adalah petunjuk untuk implementasi bahwa variabel yang dideklarasikan akan banyak digunakan. [ catatan: Petunjuk dapat diabaikan dan di sebagian besar implementasi akan diabaikan jika alamat variabel diambil. Penggunaan ini sudah usang ... —kirim catatan ]

Dalam C ++ (tetapi tidak dalam C), standar tidak menyatakan bahwa Anda tidak dapat mengambil alamat variabel yang dideklarasikan register; Namun, karena variabel yang disimpan dalam register CPU sepanjang masa hidupnya tidak memiliki lokasi memori yang terkait dengannya, upaya untuk mengambil alamatnya tidak valid, dan kompiler akan mengabaikan registerkata kunci untuk mengizinkan pengambilan alamat.

Belum relevan selama setidaknya 15 tahun karena pengoptimal membuat keputusan yang lebih baik tentang ini daripada yang Anda bisa. Bahkan ketika itu relevan, itu jauh lebih masuk akal pada arsitektur CPU dengan banyak register, seperti SPARC atau M68000 daripada di Intel dengan kekurangan register, sebagian besar yang disediakan oleh kompiler untuk keperluannya sendiri.

Sebenarnya, register memberi tahu kompiler bahwa variabel tidak alias dengan hal lain dalam program (bahkan char).

Itu dapat dieksploitasi oleh kompiler modern dalam berbagai situasi, dan dapat membantu kompiler sedikit dalam kode kompleks - dalam kode sederhana kompiler dapat mengetahui hal ini sendiri.

Kalau tidak, itu tidak ada gunanya dan tidak digunakan untuk alokasi register. Biasanya tidak menyebabkan penurunan kinerja untuk menentukannya, selama kompiler Anda cukup modern.

Saya telah membaca bahwa ini digunakan untuk mengoptimalkan tetapi tidak didefinisikan dengan jelas dalam standar apa pun.

Faktanya, standar ini didefinisikan dengan jelas oleh standar C. Mengutip draft N1570 bagian 6.7.1 paragraf 6 (versi lain memiliki kata-kata yang sama):

Deklarasi pengidentifikasi untuk objek dengan specifier kelas penyimpanan registermenunjukkan bahwa akses ke objek secepat mungkin. Sejauh mana saran tersebut efektif ditentukan oleh implementasi.

&Operator unary tidak dapat diterapkan pada objek yang didefinisikan dengan register, dan registertidak dapat digunakan dalam deklarasi eksternal.

Ada beberapa aturan lain (cukup tidak jelas) yang khusus untuk registerobjek-berkualitas:

• Mendefinisikan objek array dengan registerperilaku tidak terdefinisi.
  Koreksi: Adalah sah untuk mendefinisikan objek array register, tetapi Anda tidak dapat melakukan sesuatu yang berguna dengan objek semacam itu (pengindeksan ke dalam array memerlukan pengambilan alamat elemen awalnya).
• The _Alignasspecifier (baru di C11) tidak dapat diterapkan ke objek tersebut.
• Jika nama parameter yang diteruskan ke va_startmakro- registerterkualifikasi, perilaku tidak terdefinisi.

Mungkin ada beberapa yang lain; unduh konsep standar dan cari "daftar" jika Anda tertarik.

Seperti namanya, arti asliregister adalah untuk meminta objek disimpan dalam register CPU. Tetapi dengan perbaikan dalam mengoptimalkan kompiler, ini menjadi kurang bermanfaat. Versi modern dari standar C tidak merujuk ke register CPU, karena mereka tidak lagi (perlu) menganggap bahwa ada hal seperti itu (ada arsitektur yang tidak menggunakan register). Kebijaksanaan umum adalah bahwa menerapkan registerdeklarasi objek lebih cenderung memperburuk kode yang dihasilkan, karena itu mengganggu alokasi register kompilator sendiri. Mungkin masih ada beberapa kasus di mana itu berguna (katakanlah, jika Anda benar-benar tahu seberapa sering variabel akan diakses, dan pengetahuan Anda lebih baik daripada apa yang bisa diketahui oleh kompiler pengoptimal modern).

Efek nyata utama registeradalah mencegah setiap upaya untuk mengambil alamat objek. Ini tidak terlalu berguna sebagai petunjuk optimasi, karena hanya dapat diterapkan pada variabel lokal, dan kompilator pengoptimalisasi dapat melihat sendiri bahwa alamat objek seperti itu tidak diambil.

Waktu cerita!

C, sebagai bahasa, adalah abstraksi komputer. Hal ini memungkinkan Anda untuk melakukan hal-hal, dalam hal apa yang dilakukan komputer, yaitu memanipulasi memori, melakukan matematika, mencetak sesuatu, dll.

Tetapi C hanyalah abstraksi. Dan akhirnya, apa yang diambil dari Anda adalah bahasa Assembly. Assembly adalah bahasa yang dibaca CPU, dan jika Anda menggunakannya, Anda melakukan hal-hal dalam hal CPU. Apa yang dilakukan CPU? Pada dasarnya, ia membaca dari memori, melakukan matematika, dan menulis ke memori. CPU tidak hanya menghitung angka dalam memori. Pertama, Anda harus memindahkan nomor dari memori ke memori di dalam CPU yang disebut register. Setelah selesai melakukan apa pun yang perlu Anda lakukan untuk nomor ini, Anda dapat memindahkannya kembali ke memori sistem normal. Mengapa menggunakan memori sistem sama sekali? Registrasi jumlahnya terbatas. Anda hanya mendapatkan sekitar seratus byte dalam prosesor modern, dan prosesor populer yang lebih tua bahkan lebih terbatas secara fantastis (The 6502 memiliki 3 register 8-bit untuk penggunaan gratis Anda). Jadi, operasi matematika rata-rata Anda seperti:

load first number from memory
load second number from memory
add the two
store answer into memory

Banyak dari itu ... bukan matematika. Operasi pemuatan dan penyimpanan tersebut dapat memakan waktu hingga setengah waktu pemrosesan Anda. C, sebagai abstraksi komputer, membebaskan programmer khawatir menggunakan dan menyulap register, dan karena jumlah dan jenis bervariasi antara komputer, C menempatkan tanggung jawab alokasi register hanya pada kompiler. Dengan satu pengecualian.

Saat Anda mendeklarasikan variabel register, Anda mengatakan kepada kompiler, "Yo, saya bermaksud agar variabel ini banyak digunakan dan / atau berumur pendek. Jika saya jadi Anda, saya akan mencoba menyimpannya dalam register." Ketika standar C mengatakan kompiler tidak harus benar-benar melakukan apa-apa, itu karena standar C tidak tahu komputer apa yang Anda kompilasi, dan mungkin seperti 6502 di atas, di mana ketiga register diperlukan hanya untuk mengoperasikan , dan tidak ada register cadangan untuk menyimpan nomor Anda. Namun, ketika dikatakan Anda tidak dapat mengambil alamat, itu karena register tidak memiliki alamat. Mereka adalah tangan prosesor. Karena kompiler tidak harus memberi Anda alamat, dan karena tidak dapat memiliki alamat sama sekali, beberapa optimasi sekarang terbuka untuk kompiler. Bisa, katakanlah, menyimpan nomor dalam register selalu. Tidak Anda tidak perlu khawatir tentang tempat penyimpanannya di memori komputer (di luar keharusan untuk mendapatkannya kembali). Bahkan bisa menghukumnya menjadi variabel lain, memberikannya ke prosesor lain, memberinya lokasi yang berubah, dll.

tl; dr: Variabel berumur pendek yang mengerjakan banyak matematika. Jangan mendeklarasikan terlalu banyak sekaligus.

Anda mengacaukan algoritma pewarnaan graf canggih dari kompiler. Ini digunakan untuk alokasi register. Yah, kebanyakan. Ini bertindak sebagai petunjuk untuk kompiler - itu benar. Tetapi jangan diabaikan secara keseluruhan karena Anda tidak diizinkan untuk mengambil alamat variabel register (ingat kompiler, sekarang pada belas kasihan Anda, akan mencoba untuk bertindak berbeda). Yang dengan cara memberitahu Anda untuk tidak menggunakannya.

Kata kunci itu digunakan lama sekali, panjang kembali. Ketika hanya ada sedikit register yang bisa menghitung semuanya menggunakan jari telunjuk Anda.

Tetapi, seperti yang saya katakan, usang tidak berarti Anda tidak dapat menggunakannya.

Hanya sedikit demo (tanpa tujuan dunia nyata) untuk perbandingan: saat menghapus registerkata kunci sebelum setiap variabel, kode ini memakan waktu 3,41 detik pada i7 (GCC) saya, dengan register kode yang sama selesai dalam 0,7 detik.

#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {

     register int numIterations = 20000;    

     register int i=0;
     unsigned long val=0;

    for (i; i<numIterations+1; i++)
    {
        register int j=0;
        for (j;j<i;j++) 
        {
            val=j+i;
        }
    }
    printf("%d", val);
    return 0;
}

Saya telah menguji kata kunci register di bawah QNX 6.5.0 menggunakan kode berikut:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
#include <sys/neutrino.h>
#include <sys/syspage.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    uint64_t cps, cycle1, cycle2, ncycles;
    double sec;
    register int a=0, b = 1, c = 3, i;

    cycle1 = ClockCycles();

    for(i = 0; i < 100000000; i++)
        a = ((a + b + c) * c) / 2;

    cycle2 = ClockCycles();
    ncycles = cycle2 - cycle1;
    printf("%lld cycles elapsed\n", ncycles);

    cps = SYSPAGE_ENTRY(qtime) -> cycles_per_sec;
    printf("This system has %lld cycles per second\n", cps);
    sec = (double)ncycles/cps;
    printf("The cycles in seconds is %f\n", sec);

    return EXIT_SUCCESS;
}

Saya mendapat hasil sebagai berikut:

-> 807679611 siklus berlalu

-> Sistem ini memiliki 3300830000 siklus per detik

-> Siklus dalam hitungan detik adalah ~ 0,244600

Dan sekarang tanpa register int:

int a=0, b = 1, c = 3, i;

Saya mendapatkan:

-> 1421694077 siklus telah berlalu

-> Sistem ini memiliki 3300830000 siklus per detik

-> Siklus dalam hitungan detik adalah ~ 0,430700

Mendaftar akan memberi tahu kompiler bahwa pembuat kode percaya bahwa variabel ini akan ditulis / dibaca cukup untuk membenarkan penyimpanannya di salah satu dari beberapa register yang tersedia untuk penggunaan variabel. Membaca / menulis dari register biasanya lebih cepat dan memerlukan set kode op yang lebih kecil.

Saat ini, ini tidak terlalu berguna, karena kebanyakan pengoptimal kompiler lebih baik daripada Anda dalam menentukan apakah register harus digunakan untuk variabel itu, dan untuk berapa lama.

Selama tahun tujuh puluhan, pada awal bahasa C, kata kunci register telah diperkenalkan untuk memungkinkan programmer memberikan petunjuk kepada kompiler, mengatakan bahwa variabel akan digunakan sangat sering, dan bahwa itu harus bijaksana untuk simpan nilainya di salah satu register internal prosesor.

Saat ini, pengoptimal jauh lebih efisien daripada programmer untuk menentukan variabel yang lebih mungkin untuk disimpan dalam register, dan pengoptimal tidak selalu mempertimbangkan petunjuk programmer.

Jadi banyak orang salah merekomendasikan untuk tidak menggunakan kata kunci register.

Mari kita lihat alasannya!

Kata kunci register memiliki efek samping yang terkait: Anda tidak dapat merujuk (mendapatkan alamat) variabel tipe register.

Orang yang menyarankan orang lain untuk tidak menggunakan register menganggap ini sebagai argumen tambahan.

Namun, fakta sederhana mengetahui bahwa Anda tidak dapat mengambil alamat variabel register, memungkinkan kompiler (dan pengoptimalnya) mengetahui bahwa nilai variabel ini tidak dapat dimodifikasi secara tidak langsung melalui pointer.

Ketika pada titik tertentu dari aliran instruksi, variabel register memiliki nilainya yang ditetapkan dalam register prosesor, dan register tersebut belum digunakan karena untuk mendapatkan nilai variabel lain, kompiler tahu bahwa ia tidak perlu memuat ulang nilai variabel dalam register itu. Hal ini memungkinkan untuk menghindari akses memori mahal yang tidak berguna.

Lakukan tes Anda sendiri dan Anda akan mendapatkan peningkatan kinerja yang signifikan di loop batin Anda.

c_register_side_effect_performance_boost

Pada kompiler C yang didukung, ia mencoba untuk mengoptimalkan kode sehingga nilai variabel disimpan dalam register prosesor yang sebenarnya.

Kompiler Visual C ++ Microsoft mengabaikan registerkata kunci ketika optimasi alokasi register global (flag / compiler Oe) diaktifkan.

Lihat mendaftar kata kunci di MSDN.

Daftarkan kata kunci memberitahu kompiler untuk menyimpan variabel tertentu dalam register CPU sehingga dapat diakses dengan cepat. Dari sudut pandang programmer, kata kunci register digunakan untuk variabel yang banyak digunakan dalam suatu program, sehingga kompiler dapat mempercepat kode. Meskipun itu tergantung pada kompiler apakah akan menyimpan variabel dalam register CPU atau memori utama.

Register menunjukkan kepada kompiler untuk mengoptimalkan kode ini dengan menyimpan variabel tertentu dalam register kemudian dalam memori. itu adalah permintaan untuk kompiler, kompiler mungkin atau mungkin tidak mempertimbangkan permintaan ini. Anda dapat menggunakan fasilitas ini jika beberapa variabel Anda sedang diakses sangat sering. Misalnya: Perulangan.

Satu hal lagi adalah bahwa jika Anda mendeklarasikan variabel sebagai register maka Anda tidak bisa mendapatkan alamatnya karena tidak disimpan dalam memori. itu mendapat alokasi dalam register CPU.

gcc 9.3 asm output, tanpa menggunakan flag optimisasi (semua yang ada dalam jawaban ini merujuk pada kompilasi standar tanpa flag optimisasi):

#include <stdio.h>
int main(void) {
  int i = 3;
  i++;
  printf("%d", i);
  return 0;
}

.LC0:
        .string "%d"
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 3
        add     DWORD PTR [rbp-4], 1
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     esi, eax
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        mov     eax, 0
        call    printf
        mov     eax, 0
        leave 
        ret

#include <stdio.h>
int main(void) {
  register int i = 3;
  i++;
  printf("%d", i);
  return 0;
}

.LC0:
        .string "%d"
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        push    rbx
        sub     rsp, 8
        mov     ebx, 3
        add     ebx, 1
        mov     esi, ebx
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        mov     eax, 0
        call    printf
        add     rsp, 8
        pop     rbx
        pop     rbp
        ret

Kekuatan ini ebxdigunakan untuk perhitungan, yang berarti perlu didorong ke stack dan dikembalikan pada akhir fungsi karena disimpan sementara. registermenghasilkan lebih banyak baris kode dan 1 memori tulis dan 1 memori dibaca (walaupun secara realistis, ini bisa dioptimalkan ke 0 R / Ws jika perhitungan telah dilakukan esi, yang adalah apa yang terjadi menggunakan C ++ 's const register). Tidak menggunakan registerpenyebab 2 tulis dan 1 baca (walaupun store to load forwarding akan terjadi pada baca). Ini karena nilainya harus ada dan diperbarui secara langsung pada tumpukan sehingga nilai yang benar dapat dibaca berdasarkan alamat (penunjuk). registertidak memiliki persyaratan ini dan tidak dapat diarahkan. constdan registerpada dasarnya kebalikan dari volatiledan menggunakanvolatileakan mengesampingkan optimisasi const pada ruang lingkup file dan blok dan registeroptimisasi pada ruang lingkup blok. const registerdan registerakan menghasilkan output yang identik karena const tidak melakukan apapun pada C pada block-scope, jadi hanya registeroptimisasi yang berlaku.

Pada dentang, registerdiabaikan tetapi constoptimisasi masih terjadi.