【C# 线程】编译器代码优化技术 循环提升：Loop Hoisting

转载自：https://gandalfliang.github.io/2019/01/15/loop-hoisting/

Loop Hoisting

在上篇文章中，提到 Loop Hoisting ，这是一个常见的编译器优化项。我们总是能通过汇编代码等低级语言来“窥探”代码实际是怎么“指示”硬件运行的（这边文章不会涉及到详细的汇编内容，但是会用C#反编译后得到的汇编代码来辅助说明）。如果你看过我前面的几篇文章，会发现我用了大量反编译后的汇编代码来辅助说明，毕竟，千言不如实际的“证据”有说服力。

言归正传，Loop Hoisting，循环提升（粗略的翻译），编译器对循环代码中 loop-invariant 的代码提取出循环体外，防止循环结构内CPU对主存的重复读取。这很好理解，减少 CPU 与主存之间的 IO 次数，能有效提升程序的运行效率。观察下面的例子：

namespace loop_hoisting
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int[] array = new int[] { 1, 2, 3 };
            int x = 10;
            int y = 11;

            LoopHoistTest(array, x, y);
        }

        static void LoopHoistTest(int[] array, int x, int y)
        {
            for (int i = 0; i < array.Length; i++)
            {
                array[i] = x + y;
            }
        }
    }
}

很简单的一个例子，遍历列表且赋值。LoopHoistTest 函数的循环判断里，直接读取列表的长度，编译器在碰到这种情况，会对其进行优化，将对列表长度的读取进行提升（Hoist)，在循环体入口处缓存列表长度，并以此为判断依据，也就是说，从汇编代码的角度，循环判断始终去寄存器中读取缓存的列表长度信息，而不是每次都到主存中读取，以此来提到运行效率。另外，x+y很明显也是一段 loop-invariant 代码，相似地，编译器会将 x+y 的值缓存在某个通用寄存器内，并以此做赋值运算。编译器优化后的代码，就相当于：

namespace loop_hoisting
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int[] array = new int[] { 1, 2, 3 };
            int x = 10;
            int y = 11;

            LoopHoistTest(array, x, y);
        }

        static void LoopHoistTest(int[] array, int x, int y)
        {
            int length = array.Length;
            int sum = x+y;

            for (int i = 0; i < length; i++)
            {
                array[i] = sum;
            }
        }
    }
}

观察汇编代码：

第一个红色框选的汇编代码：

mov   ebx,dword ptr [rsi+8] //将rsi寄存器值加上8的偏移量指向的主存中的值复制到ebx通用寄存器

其中 rsi 寄存器中的值就是主存中 array 的地址，偏移的8位指向 length  字段，这段指令将数值中的长度信息储存在 ebx 通用寄存器中，并且在以后的 cmp 指令中使用，而不是直接与主存中的内容比较。

lea   ebp,[rdx+r8] //将 rdx 和 r8 寄存器中的值相加并传送到 ebp 寄存器

其中，rdx 和 r8 寄存器分别储存着 x 和 y 的值，两者的和被储存在 ebp 寄存器，以后的指令都使用这个寄存器中的值，不再重复计算。

当然，并不是所有的循环代码都可以被优化，这涉及到 Loop-invariant 条件的判定，我们下篇文章再讲。