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n = 0和n = n - n之间的区别是什么？（这是一个关于IT技术的问题）

cassemblyoptimizationcompiler-constructionmicro-optimization
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当我阅读这个问题时，我想起有人曾经告诉过我（很多年前），从汇编器的角度来看，这两个操作非常不同：

n = 0;

n = n - n;

这是真的吗？如果是，为什么会这样？

编辑：正如一些回复所指出的那样，我猜编译器很容易将其优化为相同的结果。但我认为有趣的是，如果编译器采用完全通用的方法，它们为什么会存在差异。

因为它们不相同？ - Johan Kotlinski
这就是问题所在。告诉我的人说，“在引擎盖下”，它们将生成不同的机器代码，其中一个比另一个更快。不幸的是，我不记得完整的论据了。 - sharkin
9个回答
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当你编写汇编代码时，经常使用：

xor eax, eax

代替

mov eax, 0

这是因为在第一个语句中，你只有操作码而没有参与的参数。你的CPU将在1个周期内执行它（而不是2个周期）。我认为你的情况类似（虽然使用了sub）。

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是的，你可以说 sub eax，eax。唯一的区别是操作设置的标志位。 - anon
你无法确定「循环」。原因并非直接与循环有关。在 x86 架构中，xor eax, eax 可生成较短的指令（3 字节：6631C0），而 mov eax, 0 则需 6 字节（66B800000000）。 sub eax，eax 也可以生成 3 字节指令。尽管当前处理器上 sub 和 xor 没有太大区别，但 xor 需要更简单的电路，并且具有更快速的潜力。 - Mehrdad Afshari
完全正确，这就是隐式助记符参数和因此减小指令大小的全部内容。 - none
有些架构甚至有一个特殊的寄存器，其值始终为0。（至少MIPS如此） - Will
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编译器VC++ 6.0，未进行优化：

4:        n = 0;
0040102F   mov         dword ptr [ebp-4],0
5:
6:        n = n - n;
00401036   mov         eax,dword ptr [ebp-4]
00401039   sub         eax,dword ptr [ebp-4]
0040103C   mov         dword ptr [ebp-4],eax
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在早期，内存和CPU周期都很稀缺。这导致了很多所谓的“窥视孔优化”。让我们看看代码： 
    move.l #0,d0
moveq.l #0,d0
sub.l a0,a0
第一条指令需要两个字节的操作码，然后是四个字节的值（0）。这意味着浪费了四个字节，而且你需要访问内存两次（一次是为了操作码，一次是为了数据）。非常慢。 moveq.l 更好，因为它会将数据合并到操作码中，但它只允许将值写入寄存器中的0到7之间。而且你只能使用数据寄存器，没有快速清除地址寄存器的方法。你必须清除一个数据寄存器，然后将数据寄存器加载到地址寄存器中（两个操作码。很糟糕）。
这导致了最后一种操作，它适用于任何寄存器，只需要两个字节，单个内存读取。翻译成C语言，你会得到：
n = n - n;

这将适用于大多数常用的n类型（整数或指针）。

你是说 n = n-n 这种变量实际上比 n = 0 更有效吗？ - sharkin
如果数字已经在寄存器中，那通常就是这种情况。 - stephan
太棒了。这正是我希望得到的答案。 - sharkin
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@R.A.：是的，在M68000 CPU上，n-n对于地址寄存器更有效率。因为m68k只有16位ALU，所以moveq.l对于数据寄存器来说更快，但sub.l更通用。两者都需要16位存储器。有趣的是，clr.l（将寄存器设置为0）比moveq.l慢;) - Aaron Digulla
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一个优化编译器将会为这两个产生相同的汇编代码。
如果n是一个非易失性整数类型，很可能是的，但如果n是易失性的（正如mouviciel指出的那样），或者它是浮点类型，则不一定。对于浮点数，由于NaN和INF，n-n并不总是等于0.0。 - Max Barraclough
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可能取决于变量n是否声明为volatile。
是的，但我想不出一个现实生活中的案例，其中一个人会使n成为易失性，然后执行n = n - n。 - Eli Bendersky
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当然可以，但我想不出一个现实生活中需要使用 n=n-n 的情况。 - mouviciel
谢谢回复，但对我来说使用“volatile”也非常“现实”。这只是一个理论/假设性问题，用于教育目的。 - sharkin
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将寄存器清零的汇编语言技术（通过自减或者异或）是一个非常有趣的方法，但它并不能很好地转换为C语言。

任何优化过的C编译器都会在合适的情况下使用这种技术，因此试图明确地写出它不太可能实现任何优化。

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在 C 语言中，它们（整数类型）只有在编译器不好的情况下才有区别（或者您像 MSVC 的答案一样禁用了优化）。

也许告诉你这个的人试图用 C 语法描述汇编指令，比如 sub reg,reg，而不是讨论这样的语句实际上如何在现代优化编译器中编译？对于大多数 x86 CPU，我不会说“非常不同”；大多数 CPU 都将 sub same,same 作为零值习惯用法的特例处理，就像 xor same,same 一样。 在 x86 汇编中将寄存器设置为零的最佳方法是什么：xor、mov 还是 and？

这使得汇编 sub reg,reg 类似于 mov reg,0，并且代码大小略微更小。（但是是的，在 Intel P6 家族的部分寄存器重命名方面，某些唯一的好处只能从零值习惯用法中获得，而不是从 mov 中获得。）

如果你的编译器试图在像ARM或PowerPC这样的弱序ISA上实现已大多被弃用的<stdatomic.h>中的memory_order_consume语义，则它们可能在C中有所不同。在这种情况下，n=0会打破对旧值的依赖关系，但n=n-n;仍然“带有依赖性”，因此像array[n]这样的加载操作将在n = atomic_load_explicit(&shared_var, memory_order_consume)之后进行依赖排序。有关更多详细信息，请参见C11中的Memory order consume使用。

在实践中，编译器放弃了尝试正确地进行依赖跟踪并将consume加载升级为acquire。http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0371r1.html和何时不应使用[[carries_dependency]]？ 但在弱序ISA的汇编中，sub dst, same, same仍然需要对输入寄存器产生依赖，就像在C中一样。 （大多数弱序ISA都是具有固定宽度指令的RISC，因此避免立即操作数不会使机器代码变小。因此，即使在像ARM这样没有架构零寄存器的ISA上，也没有使用更短的清零习语，如sub r1，r1，r1。 mov r1，＃0 与任何其他方式的大小相同且至少同样有效。在MIPS上，您只需move $v0，$zero）

因此，对于那些非x86 ISA，它们在asm中非常不同。 n = 0 可以避免对变量（寄存器）旧值的任何错误依赖，而n = n-n 无法执行，直到n的旧值准备好。

只有x86特殊情况下，将sub same,same和xor same,same作为一种依赖破坏的清零惯用语，就像mov eax, imm32一样。因为mov eax, 0需要5个字节，而xor eax,eax只需要2个字节。所以，在乱序执行CPU出现之前，人们长期使用这种窥孔优化技术，并且这样的CPU需要高效地运行现有的代码。什么是在x86汇编中将寄存器设置为零的最佳方法：xor、mov还是and？解释了细节。
除非您手动编写x86汇编代码，否则请像普通人一样使用0而不是n-n或n^n，并让编译器使用xor清零作为一个窥孔优化。
其他ISA的汇编语言可能有其他的洞口，例如另一个答案提到了m68k。但是，如果你正在使用C语言编写代码，这就是编译器的工作。当你想表示0时，请写0。试图“手动引导”编译器使用汇编优化是不太可能成功的，如果禁用了优化，启用优化后，编译器会有效地将寄存器清零。
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如果n是无穷大或NaN，则是的。 - Jonathan Leffler
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以下是一些特殊情况，其中n = 0和n = n - n的行为不同：

  • 如果n具有浮点类型，则结果将因特定值而异：-0.0、Infinity、-Infinity、NaN等。

  • 如果n被定义为volatile：第一个表达式将生成一个存储到相应内存位置，而第二个表达式将生成两个加载和一个存储。此外，如果n是硬件寄存器的位置，则2个加载可能产生不同的值，导致写入存储非0值。

  • 如果禁用了优化，则即使对于普通的int n，编译器也可能为这两个表达式生成不同的代码，这可能会或可能不会以相同的速度执行。

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