LEA 或 ADD 指令？

Question

我在手写汇编的时候，一般会选择表格

lea eax, [eax+4]

在表格上方..

add eax, 4

我听说 lea 是“0-clock”指令（如 NOP），而“add”不是。但是，当我查看编译器生成的程序集时，我经常看到使用后一种形式而不是第一种形式。我足够聪明，可以信任编译器，所以任何人都可以阐明哪个更好？哪个更快？为什么编译器选择后者而不是前者？

Answer 1

主要原因是下一个。如果您仔细查看 x86，您会注意到，这个 ISA 是两个地址。每条指令最多接受两个参数。因此，操作的语义是下一个：

DST = DST <operation> SRC

LEA是一种hack指令，因为它是x86 ISA中的SINGLE指令，实际上是三地址：

DST = SRC1 <operation> SRC2

它是一种hack指令，因为它重用了x86 CPU的arguments dispatcher电路来执行加法和移位。

编译器使用 LEA 是因为在加法寄存器的内容有利于保持不变的情况下，该指令允许他们用单个指令替换少量指令。请注意，在所有情况下，当编译器使用 LEA DST 寄存器不同于 SRC 寄存器或 SRC 参数利用复杂的地址计算逻辑时。

例如，在生成的代码中几乎不可能找到这样的用例：

LEA EAX, [EAX   ] // equivalent of NOP
LEA EAX, [ECX   ] // equivalent of MOV EAX, ECX
LEA EAX, [EAX+12] // equivalent of ADD EAX, 12

但接下来的用例很常见：

LEA EAX, [ECX      +12] // there is no single-instruction equivalent
LEA EAX, [ECX+EDX*4+12] // there is no single-instruction equivalent
LEA EDX, [ECX+EDX*4+12] // there is no single-instruction equivalent

事实上，假设应该保留 EBP 的值以供将来使用，设想下一个场景：

LEA EAX, [EBP+12]
LEA EDX, [EBP+48]

只有两条指令！但是在没有 LEA 的情况下，代码将是下一个

MOV EAX, EBP
MOV EDX, EBP
ADD EAX, 12
ADD EDX, 48

我相信使用 LEA 的好处现在应该很明显了。您可以尝试替换此指令

LEA EDX, [ECX+EDX*4+12] // there is no single-instruction equivalent

通过基于 ADD 的代码。

Answer 2

您可以像加法运算一样在同一个时钟周期内执行 lea 指令，但如果您将 lea 和 add 一起使用，您可以在一个周期内执行三个操作数的加法！如果您使用两个只能在 2 个时钟周期内执行的添加操作：

mov eax, [esp+4]   ; get a from stack
mov edx, [esp+8]   ; get b from stack
mov ecx, [esp+12]  ; get c from stack
lea eax, [eax+edx] ; add a and b in the adress decoding/fetch stage of the pipeline
add eax, ecx       ; Add c + eax in the execution stage of the pipeline
ret 12

Answer 3

x86 CPU 上LEA 和ADD 之间的一个显着区别是实际执行指令的执行单元。现代 x86 CPU 是超标量的，并且有多个并行运行的执行单元，管道为它们提供有点像循环（barstalls）。问题是，LEA 由处理寻址的单元（其中一个）处理（发生在管道的早期阶段），而ADD 则进入 ALU（算术/逻辑单元） ，并且在管道中后期。这意味着超标量 x86 CPU 可以同时执行 LEA 和算术/逻辑指令。

LEA 通过地址生成逻辑而不是算术单元这一事实也是它曾经被称为“零时钟”的原因；它不需要任何时间来执行，因为地址生成已经发生在它应该/被执行的时候。

它不是免费，因为地址生成是执行管道中的一个步骤，但它没有执行开销。并且它不占用 ALU 管道中的插槽。

编辑：澄清一下，LEA 不是免费的。即使在不通过算术单元实现它的 CPU 上，由于指令解码/分派/退休和/或 所有 指令要经过的其他流水线阶段，它也需要时间来执行。对于通过地址生成实现它的 CPU，执行LEA 所花费的时间发生在管道的不同阶段。

Answer 4

LEA 并不比 ADD 指令快，执行速度是一样的。

但是LEA sometimes offer more than ADD。 如果我们需要结合第二个寄存器进行简单快速的加法/乘法运算，LEA 可以加快程序执行速度。 另一方面，LEA 不会影响 CPU 标志，因此 没有溢出检测的可能性。

Answer 5

我足够聪明，可以信任编译器，那么任何人都可以阐明哪个更好吗？

是的，有一点。首先，我从以下消息中得到这个：https://groups.google.com/group/bsdnt-devel/msg/23a48bb18571b9a6

在此消息中，开发人员优化了一些我写得很糟糕的程序集，以便在 Intel Core 2 处理器中快速运行。作为这个项目的背景，它是一个我和其他一些开发人员参与的 bsd bignum 库。

在这种情况下，所有被优化的只是添加两个数组，如下所示：uint64_t* x, uint64_t* y。数组的每个“肢体”或成员都代表 bignum 的一部分；基本过程是从最不重要的肢体开始对其进行迭代，将这对添加并继续向上，每次都向上传递进位（任何溢出）。 adc 在处理器上为您执行此操作（我认为无法从 C 访问进位标志）。

在那段代码中，使用了lea something, [something+1] 和jrcxz 的组合，这显然比我们以前使用的jnz/add something, size 对更有效。但是，我不确定这是否是由于简单地测试不同的指令而发现的。你得问问。

但是，在稍后的消息中，它是在 AMD 芯片上测量的，性能并不那么好。

我还了解到不同的操作在不同的处理器上执行的方式不同。例如，我知道 GMP 项目使用cpuid 检测处理器，并根据不同的架构传入不同的汇编例程，例如core2, nehalem.

您必须问自己的问题是您的编译器是否为您的 cpu 架构生成优化的输出？例如，众所周知，英特尔编译器会执行此操作，因此可能值得测量性能并查看它产生的输出。