为什么在C++中使用寄存器存储类说明符声明的对象可以使用取地址运算符（'&'）？

Question

在C语言中，我们不能对使用register存储类说明符声明的变量使用取地址运算符（&）。

这会导致错误：error: address of register variable ‘var_name’ requested

但如果我们编写一个C++程序并执行相同的任务（即对寄存器存储变量使用&），它不会导致任何错误。

例如：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    register int a;
    int * ptr;
    a = 5;
    ptr = &a;
    cout << ptr << endl;
    return 0;
}

输出：

0x7ffcfed93624

这可能是C++的额外功能，但问题在于C和C++中寄存器类存储的区别。

- Amit Upadhyay

---

register 是 C++ 中的一个提示，编译器可以忽略它。如果您获取它的地址，编译器也会忽略它。 - Jean-Baptiste Yunès

这也是 C 语言中的一个提示。 - Alan Stokes

可能现代编译器已经不再支持register关键字了。 - David Haim

你并不是在引用一个寄存器变量，而是在创建一个指向寄存器变量的指针。在许多平台上，寄存器不属于寻址空间，因此没有地址，换句话说，你不能指向一个寄存器。当创建一个指向寄存器变量的指针时，编译器可能会将变量放到堆栈上或将变量分配给临时内存位置，以便创建指针。 - Thomas Matthews

Answer 1

C++中故意删除了获取地址的限制-这没有任何好处，只会使语言变得更加复杂。（例如，如果将引用绑定到register变量会发生什么？）

register关键字多年来并没有太大作用 - 编译器非常擅长自动将变量放入寄存器。实际上，在C++中该关键字目前已被标记为废弃，最终将被移除。

- Alan Stokes

---

@alanstokes 注册表没有地址。为了获得一个地址，编译器需要将其放置在某个内存中。为了使这有意义，还必须在接收该地址的任何时刻更新内存中的该值，并在之后可以访问并读回它。这听起来很像是忽略提示，不是吗？ - sqykly

我将担任魔鬼的代言人：一些实现 - 主要是嵌入式设备 - 将 register 作为实际命令而非提示。这是因为你经常需要对寄存器进行控制；程序员知道自己在干什么。我曾经问过这是否被允许，我会不遗余力地提供一个链接。 - edmz

在IAR嵌入式工作台编译器上，关闭优化后，编译器会真正听取register关键字并使用寄存器来存储变量。如果没有register关键字，编译器将只在更高的优化级别下根据需要使用寄存器。 - Thomas Matthews

C语言中的register关键字表示您不能获取变量的地址，这意味着任何指针都不会引用该变量。这可能允许编译器执行它原本无法执行的优化，即使它没有将变量放入寄存器中也是如此。 （是的，现代编译器非常聪明，但提供更多信息可以使它们变得更加聪明。程序员具有他们缺乏的信息。）当然，如果C++允许您获取变量的地址，则在该语言中register关键字的用处较小。 - Ray

“寄存器没有地址” 你的意思是从来没有存在过寄存器具有地址的CPU吗？（如果是这样，那么你是错误的。）还是你的意思是寄存器不一定有地址？ - David Schwartz

Answer 2

“register”存储类最初是提示编译器，限定的变量使用频率很高，将其值保留在内存中会影响性能。绝大多数CPU架构（也许不包括SPARC？甚至没有反例）不能在两个变量之间执行任何操作，而不先将其中一个或两个从内存加载到其寄存器中。从内存加载变量到寄存器中，并在进行操作后写回到内存中，所需的CPU周期比操作本身多得多。因此，如果一个变量经常被使用，通过为其设置一个寄存器并完全不使用内存，可以获得性能提升。

然而，这样做有各种要求。每个CPU架构的要求都不同：

- 所有处理器都有固定数量的寄存器，但每个处理器型号的数量不同。在80年代，您可能只有4个可以合理用于“register”类型变量。 - 大多数处理器不支持在每个指令中使用每个寄存器。在80年代，通常只有一个寄存器可用于加法和减法，您可能无法将该寄存器用作指针。 - 调用约定规定了可以预期被子程序覆盖的不同寄存器集，即函数调用。 - 寄存器的大小因处理器而异，因此存在一些情况下“register”类型变量将不适合寄存器。

由于C旨在独立于平台，因此无法通过标准来强制执行这些限制。换句话说，尽管可能无法编译具有20个“register”变量的过程，但C程序本身不应该是“错误”的，因为没有逻辑原因可以解释机器不能拥有20个寄存器。因此，“register”存储类始终只是一个提示，如果特定的目标平台不支持它，则编译器可以忽略它。

无法引用寄存器是不同的。寄存器明确地没有在内存中保持更新，并且如果对内存进行更改，则不会保持当前状态；这就是存储类的全部意义。由于它们不打算在内存中具有保证的表示形式，因此它们在内存中没有逻辑上有意义的地址，这些地址可能对于可能获得指针的外部代码是有意义的。寄存器对于其自己的CPU没有地址，它们几乎永远没有任何协处理器可以访问的地址。因此，任何试图获取对“register”类型变量的引用的尝试都是错误的。 C标准可以轻松地强制执行此规则。

然而，随着计算机的发展，一些趋势出现，削弱了“register”存储类本身的目的。

处理器现在拥有更多的寄存器，今天您可能至少有16个寄存器，并且它们可以在大多数情况下互换使用。多核处理器和分布式代码执行已变得非常普遍；只有一个核心可以访问任何一个寄存器，而且它们绝不会共享，除非涉及内存。为变量分配寄存器的算法变得非常有效。

事实上，编译器现在非常擅长将变量分配到寄存器中，它们通常比任何人都能更好地进行优化。它们肯定知道哪些变量是最频繁使用的，而无需告诉它们。如果编译器被要求遵守手动输入的“register”提示，则生成这些优化将更加复杂（即不适用于标准或程序员）。编译器忽略这些提示已成为一种普遍现象。当C++存在时，它已经过时。它包含在标准中以保持C ++尽可能接近C的真正超集。遵守提示的要求，以及强制提示可以被遵守的条件的要求相应减弱。今天，这种存储类本身已经被弃用。

因此，即使今天（直到计算机甚至没有寄存器）您仍然不能逻辑上引用CPU寄存器，但是标准要求编译器遵守“register”存储类已经非常过时，因此要求编译器要求您在使用它时合乎逻辑是不合理的。

- sqykly

---

注：我认为你的意思是C++是C的超集（严格来说并非如此，尽管已经付出了很多工作来将其不兼容之处最小化）。 - Alan Stokes

x86处理器可以在两个内存操作数上执行字符串操作：请参见CMPS和MOVS指令（操作码0xA4到0xA7）。 - Ruslan

@ruslan 现在编译器很少使用 movs 和 cmps，但它们确实涉及多个寄存器：ds、es、ecx/rcx、esi/rsi 和 edi/rdi。cmps 还涉及 eflags。通常需要从内存中加载 *cx、*di 和 *si，有时在使用前和使用后也需要加载。不过，我想立即到内存地址模式实际上是一个很好的反例。将进行修复。65x 也有像 movs 这样的块移动指令，内存到内存，带有 3 个隐含寄存器。 - sqykly

@ruslan 将 imm 存入 mem；这不是一个操作“在两个变量之间”进行的，正如所述。 - sqykly

@sqykly 我不会说它很少使用。当你执行memcpy()时，gcc在我的32位系统上使用movsd，它不是对libc的调用，而是内联的。 - Ruslan

Answer 3

引用寄存器将是寄存器本身。如果调用函数将ESI作为引用参数传递，则被调用的函数将使用ESI作为参数。正如Alan Stokes所指出的那样，问题在于如果另一个函数也使用相同的引用参数调用了同一函数，但这次使用的是EDI。

为了使其工作，需要创建两个重载的函数实例，一个以ESI作为参数，一个以EDI作为参数。我不知道任何实际的C++编译器是否普遍实现了这样的优化，但是可以这样做。

引用寄存器的一个例子是std::swap()的优化方式（两个参数都是引用），这通常会变成内联代码。有时不进行交换：例如，std::swap(a，b)，不进行交换，而是在随后的代码中交换a和b的意义（对原来a的引用变成了对b的引用，反之亦然）。

否则，引用参数将强制该变量位于内存中，而不是寄存器中。

- rcgldr

---

如果使用EDI的不同调用函数，那么这该怎么办呢？或者你是在考虑内联调用吗？ - Alan Stokes