指针是否可能指向CPU寄存器？

Question

指针是否可能指向CPU寄存器？

c++optimizationpointersreference

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我想知道指针是否可以指向CPU寄存器，如果不行，尽可能使用引用而不是指针，因为引用对象可能驻留在某个寄存器中，但由指针指向的对象可能不会。

- Pooria

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取决于底层机器架构，但通常情况下，对于大多数现代计算机，特别是x86架构，答案是“否”。 - Pointy

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如果你明确要求一个变量在寄存器中，那么你就不能取它的地址。 - Martin York

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嗯，有点奇怪，没有人提到volatile关键字。它提供的少数保证之一，应该是相关主题。也许我在这里漏掉了什么。 - Hans Passant

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指针是C/C++的概念，在硬件中并不存在。而寄存器只存在于硬件中，C/C++对寄存器一无所知。因此，不，指针永远不能指向CPU寄存器，因为它们存在于完全不同的世界中 :) - jalf

@dwelch：这实际上是一个定义问题。如果你严格遵循C标准，那么“指针”只是一个抽象的概念——C标准并不规定指针应该如何实现，你当然可以为x86编写一个不使用间接寻址（而是使用查找表或其他方式）的C编译器。另一方面，当然，C语言的设计旨在易于在真实硬件上实现，因此当设计指针特性时，C语言的设计者当然考虑了间接寻址等问题。所以你们两个都是对的，只是从不同的角度看问题 :-)。 - sleske

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7个回答

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当一个引用被传递给函数时，编译器可能会将其实现为一个隐藏的指针，因此更改类型不会有影响。

当创建并在本地使用引用时，编译器可能足够聪明以知道它所指的内容，并将其视为对所引用变量的别名。如果该变量被优化为寄存器，则编译器将知道该引用也是同一寄存器。

指针始终需要指向内存位置。即使在奇怪的体系结构中，其寄存器具有内存位置，编译器似乎也不支持这样的操作。

编辑：以下是启用优化后使用Microsoft C++生成的代码示例。指针和传递的引用的代码是相同的。由于某种原因，按值传递的参数没有最终进入寄存器，即使我重新排列了参数列表。即便如此，一旦将值复制到寄存器中，局部变量和局部引用都使用相同的寄存器而无需重新加载。

void __fastcall test(int i, int * ptr, int & ref)
{
_i$ = 8                         ; size = 4
_ref$ = 12                      ; size = 4
?test@@YIXHPAHAAH@Z PROC                ; test, COMDAT
; _ptr$ = ecx

; 8    :    global_int1 += *ptr;

    mov edx, DWORD PTR [ecx]

; 9    : 
; 10   :    global_int2 += ref;

    mov ecx, DWORD PTR _ref$[esp-4]
    mov eax, DWORD PTR _i$[esp-4]
    add DWORD PTR ?global_int1@@3HA, edx    ; global_int1
    mov edx, DWORD PTR [ecx]
    add DWORD PTR ?global_int2@@3HA, edx    ; global_int2

; 11   : 
; 12   :    int & ref2 = i;
; 13   :    global_int3 += ref2;

    add DWORD PTR ?global_int3@@3HA, eax    ; global_int3

; 14   : 
; 15   :    global_int4 += i;

    add DWORD PTR ?global_int4@@3HA, eax    ; global_int4

- Mark Ransom

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我认为您想要表达的是引用所指向的整数值是否存储在寄存器中。

通常，大多数编译器将引用视为指针的一种。也就是说，引用只是具有特殊“解引用”语义的指针。因此，与适合存储在寄存器中的整数值不同，引用通常没有优化。引用和指针之间唯一的区别在于引用必须（但未被编译器强制执行）引用有效对象，而指针可以为NULL。

- Michael Goldshteyn

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在许多（如果不是大多数或全部）实现中，引用通过指针深度实现。因此，我认为通过指针或引用进行操作对于优化器来说几乎没有影响。

- Armen Tsirunyan

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我认为通常不会这样做。如上面的评论中提到的，有些处理器可以在内存空间中寻址寄存器，但这可能是一个坏主意（除非芯片是为你设计的方式编程）。

实际上，与您所要求的相反情况更多地发生了。优化器可以看到您使用指针及其指向的内容，并根据体系结构可能实际上不使用寄存器来存储指针和指向的内容，而是例如将地址硬编码到指令中而根本不使用寄存器。它可能会将指向的值加载到寄存器中，但使用寄存器来存储地址或使用时间比获取值长。有时效率并不高，它可能会将值保存在寄存器中以便将其地址读回寄存器中，当更改代码可以避免这两个步骤时。这严重取决于程序/代码、指令集和编译器。

因此，与其尝试寻址寄存器以获得一些优化，不如了解编译器和目标，并知道何时最好使用指针、数组或值等。某些结构在大多数处理器上都很有效，而有些结构只在某些处理器上有效，而在其他处理器上则效果不佳。

- old_timer

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指针指向内存位置。因此，使用指针无法访问CPU寄存器。引用是指针的较弱版本（无法对引用执行算术运算）。但是编译器通常会将变量放入寄存器中以执行操作。例如，编译器可以将循环计数器放入CPU寄存器中以便快速访问。或者将不占用太多空间的函数参数放入寄存器中。在C语言中有一个关键字可以用来请求编译器将某个变量放入CPU寄存器中。该关键字是register：

for (int i = 0; i < I; i++)
    for (int j = 0; j < J; j++)
        for (register int k = 0; k < K; k++)
        {
            // to do
        }

- Donotalo

有些架构确实具有内存映射寄存器，因此您的答案并不完全正确。 - Paul R

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register 关键字本质上是对编译器的一个空洞请求，即它可以完全而且默默地被忽略。 - Nick T

@Paul R: 我同意。但我认为这是C语言中最接近的解决方案。 - Donotalo

@Nick T：是的，我在帖子中已经说明了：“……请求编译器……” - Donotalo

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Michael Burr 是正确的。CPU 寄存器没有内存地址。

- renai

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除非它们被映射到内存中，如Microchip PICs中。 - Nick T

如果我没记错的话，Z8还有一些内存映射寄存器。 - Paul R

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可以查看英文原文，
原文链接

- Michael Burr · Accepted Answer

一般来说，CPU寄存器没有内存地址，虽然CPU架构可以使它们可寻址（如果有人知道，请留言），但在C语言中没有标准方法获取寄存器的地址。实际上，如果使用“register”存储类标记变量，则不允许使用“&”运算符获取该变量的地址。

关键问题是别名 - 如果编译器可以确定对象没有别名，则通常可以执行优化（无论对象是通过指针还是引用访问）。总的来说，我认为使用引用而不是指针不会获得任何优化效益。

但是，如果将对象复制到局部变量中，则编译器可以更容易地确定局部变量没有别名，假设您不传递临时变量的地址。这是您可以帮助编译器进行优化的情况；但是，如果复制操作很昂贵，最终可能不划算。

对于适合CPU寄存器的内容，将其复制到临时变量中通常是一个好方法 - 编译器非常擅长将其优化为寄存器。