分析各种表达式求值过程

目录

算术运算与赋值

编译器常用的两种优化方案

常量传播

常量折叠

加法

Debug编译选项组下编译后的汇编代码分析

Release开启02执行效率优先

减法

Release版下优化和加法一致，不再赘述

乘法

除法

算术结果溢出

自增和自减

关系运算与逻辑运算

JCC指令

位运算

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算术运算与赋值

算术运算包括加法、减法、乘法和除法，也称为四则运算。

赋值运算类似于数学中的“等于”，是将一个内存空间中的数据传递到另一个内存空间。因为内存没有处理器那样的控制能力，所以各个内存单元之间是无法直接传递数据的，必须通过处理器访问并中转，以实现两个内存单元之间的数据传输。

编译器常用的两种优化方案

在编译过程中，编译器常常会采用“常量传播”和“常量折叠”的方案对代码中的变量与常量进行优化

常量传播

        将编译期间可计算出结果的变量转换成常量，这样就减少了变量的使用

常量折叠

        当出现多个常量进行计算，且编译器可以在编译期间计算出结果时，源码中所有的常量计算都将被计算结果代替

        如果在程序的逻辑中，声明的变量没有被修改过，而且上下文中不存在针对此变量的取地址和间接访问操作，那么这个变量就等价于常量，编译器就认为可以删除这个变量，直接用常量代替。使用常量的好处是可以生成立即数寻址的目标代码，常量作为立即数成为指令的一部分，从而减少了内存的访问次数。

加法

加法运算对应的汇编指令为ADD。在执行加法运算时，不同的操作数对应的转换指令不同，编译器会根据优化方式选择最佳的匹配方案。在编译器中常用的优化方案有如下两种。

1. 生成文件占用空间最少。
2. 执行效率最快。

在VS中，Release编译选项组的默认选项为02选项——执行效率最快。在Debug编译选项组中，使用的是Od+ZI选项，此选项使编译器产生的一切代码都以便于调试为根本前提，甚至为了便于单步跟踪以及源码和目标代码块的对应阅读，不惜增加冗余代码。当然也不是完全放弃优化，在不影响调试的前提下，会尽可能地进行优化。

Debug编译选项组下编译后的汇编代码分析

源码

#include<stdio.h>
 
int main()
{
	int n1 = 0;
	int n2 = 0;
	// 变量+常量
	n1 = n1 + 1;
	// 常量+常量
	n1 = 1 + 2;
	// 变量+变量
	n1 = n1 + n2;
	printf("n1=%d\n", n1);
	return 0;
}

反汇编分析

归纳：

1. 两个常量相加：编译期间就会计算出结构
2. 有变量参与：变量取值存入寄存器相加后通过寄存器存入变量

Release开启02执行效率优先

开启02选项后，编译出来的汇编代码会有较大的变化。由于效率优先，编译器会将无用代码去除，并对可合并代码进行归并处理。

例如在代码清单4-1中，“n1 = n1 + 1；”这样的代码将被删除，因为在其后又重新对变量n1进行了赋值操作，而在此之前没有对变量n1做任何访问，所以编译器判定此句代码是可被删除的。

减法

计算机中，减法是通过加法实现的，减正等于加负，负数可以使用反码来代替；

源码

#include<stdio.h>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
	int n1 = argc;
	int n1;
	int n2 = 0;
	scanf("%d", &n2);
	n1 = n1 - 100;
	n1 = n1 + 5 - n2;
	printf("n1 = %d \r\n", n1);
	return 0;
}

反汇编

Release版下优化和加法一致，不再赘述

乘法

乘法运算对应的汇编指令分为有符号imul和无符号mul两种。由于乘法指令的执行周期较长，在编译过程中，编译器会先尝试将乘法转换成加法，或使用移位等周期较短的指令。当它们都不可转换时，才会使用乘法指令。

源码

#include<stdio.h>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
	int n1 = argc;
	int n2 = argc;
	// 变量乘常量
	printf("n1 * 15 = %d\n", n1 * 15);
	// 变量乘常量(2的幂)
	printf("n1 * 16 = %d\n", n1 * 16);
	// 两个常量相乘
	printf("2 * 2 = %d\n", 2 * 2);
	printf("n2 * 4 + 5 = %d\n", n2 * 4 + 5);
	// 混合运算
	printf("n1 * n2 = %d\n", n1 * n2);
	// 两变量相乘
	return 0;
}

反汇编

有符号数乘以常量值，且这个常量非2的幂，会直接使用有符号乘法imul指令或者左移加减运算进行优化。

当常量值为2的幂时，编译器会采用执行周期短的左移运算代替执行周期长的乘法指令。由于任何十进制数都可以转换成二进制数表示，在二进制数中乘以2就等同于所有位依次向左移动1位。
乘法运算与加法运算的结合编译器采用LEA指令处理。LEA语句的目的并不是获取地址。

除了两个未知变量的相乘无法优化外，其他形式的乘法运算都可以进行优化处理。如果运算表达式中有一个常量值，则此时编译器会首先匹配各类优化方案，最后对不符合优化方案的运算进行调整。
无符号乘法的原理与之相同

除法

        除法运算对应的汇编指令分为有符号idiv和无符号div两种。除法指令的执行周期较长，效率也较低，所以编译器会想尽办法用其他运算指令代替除法指令。C++中的除法和数学中的除法不同，在C++中，除法运算不保留余数，有专门求取余数的运算（运算符为%），也称之为取模运算。对于整数除法，C++的规则是仅保留整数部分，小数部分完全舍弃。

编译器在除法的优化涉及到高深的数学知识，暂且放放

算术结果溢出

当数据大小超过存储空间时，就会发生溢出，溢出的数据不会保留；

进位：无符号数超出存储范围叫作进位。因为没有符号位，不会破坏数据，而进位的1位数据会被进位标志为CF保存。而在标志位CF中，可通过查看进位标志位CF，检查数据是否进位

溢出：有符号数超出存储范围叫作溢出，由于数据进位，从而破坏了有符号数的最高位——符号位。只有有符号数才有符号位，所以溢出只针对有符号数。可查看溢出标志位OF，检查数据是否溢出。OF的判定规则很简单，如果参与加法计算的数值符号一致，而计算结果符号不同，则判定OF成立，其他都不成立。

自增和自减

C++中使用“++”“--”来实现自增和自减操作。自增和自减有两种定义：

• 一种为自增自减运算符在语句块之后，则先执行语句块，再执行自增自减；
• 另一种恰恰相反，自增自减运算符在语句块之前，则先执行自增和自减，再执行语句块。
• 通常，自增和自减是被拆分成两条汇编指令语句执行的

源码

#include<stdio.h>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
	int n1 = argc;
	int n2 = argc;
	n2 = 5 + (n1++);
	n2 = 5 + (++n1);
	n1 = 5 + (n2--);
	n1 = 5 + (--n2);
	return 0;
}

反汇编

先将自增自减运算进行分离，然后根据运算符的位置来决定执行顺序 。 将 原 语 句 块 “n1=5+
（n1++）；”分解为“n2=5+n1；”和“n1=n1+1”，这样就实现了先参与语句块运算，再自增1。同理，前缀++的拆分过程只是执行顺序做了替换，先将自身加1，再参与表达式运算。在识别过程中，后缀++必然会保存计算前的变量值，在表达式计算完成后，才取出之前的值加1，这是个显著特点。
 

关系运算与逻辑运算

• 或：比较运算符||左右的语句的结果，如果有一个值为真，则返回真值；如果都为假，则返回假值。
• 与：比较运算符&&左右的语句的结果，如果有一个值为假，则返回假
• 值；如果都为真值，则返回真值。
• 非：改变运算符！后面语句的真假结果，如果该语句的结果为真值，则返回假值；如果为假值，则返回真值。

JCC指令

通常情况下，这些条件跳转指令都与CMP和TEST匹配出现，但条件跳转指令检查的是标记位。因此，在有修改标记位的代码处，也可以根据需要使用条件跳转指令修改程序流程。

位运算

二进制数据的运算称为位运算，位运算操作符如下：

1. “<<”：左移运算，最高位左移到CF中，最低位零
2. “>>”：右移运算，最高位不变，最低位右移到CF中。
3. “|”：位或运算，在两个数的相同位上，只要有一个为1，则结果 为1。
4. “&”：位与运算，在两个数的相同位上，只有同时为1时，结果才 为1。
5. “^”：异或运算，在两个数的相同位上，当两个值相同时为0，不同时为1。
6. “~”：取反运算，将操作数每一位上的1变0，0变1。

有待提升之处：

1. JCC指令，位运算的反汇编指令不够熟练

2.除法的优化原理涉及复杂的数学知识，还没了解