为什么 VC++ 2010 经常使用 ebx 作为“零寄存器”？

Question

昨天我正在查看一些由 VC++ 2010 生成的 32 位代码（很可能；不知道具体的选项，抱歉），我对一个奇怪的反复出现的细节很感兴趣：在许多函数中，它归零了 @987654322 @ 在序言中，它总是像“零寄存器”一样使用它（想想 MIPS 上的 $zero）。特别是，它经常：

• 用它来清零内存；这并不罕见，因为 mov mem,imm 的编码比 mov mem,reg 大 1 到 4 个字节（即使为 0，也必须对完整的立即值大小进行编码），但通常 (gcc) 必要的寄存器被清零“按需”，并保留用于其他更有用的目的；
• 用它来与零进行比较 - 如cmp reg,ebx。这是让我感到非常不寻常的地方，因为它应该与test reg,reg 完全相同，但增加了对额外寄存器的依赖。现在，请记住，这发生在非叶函数中，ebx 经常被（被调用者）推入和推出堆栈，所以我不相信这种依赖关系总是完全免费的。此外，它还以完全相同的方式使用了test reg,reg (test/cmp => jg)。

最重要的是，“经典”x86 上的寄存器是一种稀缺资源，如果您开始不得不溢出寄存器，那么您会无缘无故地浪费大量时间；为什么要在所有函数中浪费一个只是为了在其中保留一个零？ （不过，仔细想想，我不记得在使用这种“零寄存器”模式的函数中看到太多寄存器溢出）。

那么：我错过了什么？这是 2010 年特别有趣的编译器故障还是一些令人难以置信的智能优化？

摘录如下：

    ; standard prologue: ebp/esp, SEH, overflow protection, ... then:
    xor     ebx, ebx
    mov     [ebp+4], ebx        ; zero out some locals
    mov     [ebp], ebx
    call    function_1
    xor     ecx, ecx            ; ebx _not_ used to zero registers
    cmp     eax, ebx            ; ... but used for compares?! why not test eax,eax?
    setnz   cl                  ; what? it goes through cl to check if eax is not zero?
    cmp     ecx, ebx            ; still, why not test ecx,ecx?
    jnz     function_body
    push    123456
    call    throw_something
function_body:
    mov     edx, [eax]
    mov     ecx, eax            ; it's not like it was interested in ecx anyway...
    mov     eax, [edx+0Ch]
    call    eax                 ; virtual method call; ebx is preserved but possibly pushed/popped
    lea     esi, [eax+10h]
    mov     [ebp+0Ch], esi
    mov     eax, [ebp+10h]
    mov     ecx, [eax-0Ch]
    xor     edi, edi            ; ugain, registers are zeroed as usual
    mov     byte ptr [ebp+4], 1
    mov     [ebp+8], ecx
    cmp     ecx, ebx            ; why not test ecx,ecx?
    jg      somewhere

label1:
    lea     eax, [esi-10h]
    mov     byte ptr [ebp+4], bl    ; ok, uses bl to write a zero to memory
    lea     ecx, [eax+0Ch]
    or      edx, 0FFFFFFFFh
    lock xadd [ecx], edx
    dec     edx
    test    edx, edx            ; now it's using the regular test reg,reg!
    jg      somewhere_else

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注意：这个问题的早期版本说它使用mov reg,ebx 而不是xor ebx,ebx；这只是我没有正确记住东西。对不起，如果有人想太多试图理解这一点。

Answer 1

您评论为奇怪的所有内容对我来说都不是最佳选择。 test eax,eax sets all flags (except AF) the same as cmp against zero，是性能和代码大小的首选。

在 P6（PPro 到 Nehalem）上，读取长期失效的寄存器是不好的，因为它会导致寄存器读取停止。 P6 内核每个时钟只能从永久寄存器文件中读取 2 或 3 个最近未修改的架构寄存器（以获取发布阶段的操作数：ROB 保存 uops 的操作数，与 SnB 系列不同，它只保存对物理寄存器文件）。

由于这是来自 VS2010，Sandybridge 还没有发布，所以它应该对 Pentium II/III、Pentium-M、Core2 和 Nehalem 进行调整，在这些地方读取“冷”寄存器是可能的瓶颈。

IDK 如果这样的事情对整数 reg 有意义，但我对 P6 之前的 CPU 的优化知之甚少。

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cmp / setz / cmp / jnz 序列看起来特别脑残。也许它来自编译器内部的固定序列，用于从某些东西产生布尔值，并且它未能将布尔值的测试优化为直接使用标志？这仍然不能解释使用ebx 作为零寄存器，这在那里也完全没用。

是否有可能其中一些来自 inline-asm，它返回了一个布尔整数（使用了一个想要寄存器为零的傻瓜）？

或者也许源代码正在比较两个未知值，并且只有在内联和常量传播之后才变成与零的比较？哪个 MSVC 没有完全优化，所以它仍然在寄存器中保持 0 作为常量而不是使用test？

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（其余部分是在问题包含代码之前编写的）。

听起来很奇怪，或者像 CSE / 持续提升运行失控的情况。即，将 0 视为您可能想要加载一次然后在整个函数中进行 reg-reg 复制的任何其他常量。

您对数据依赖行为的分析是正确的：从不久前归零的寄存器移动基本上会启动一个新的依赖链。

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当 gcc 想要两个归零的寄存器时，它通常会对一个寄存器进行异或归零，然后使用 mov 或 movdqa 复制到另一个。

这在 Sandybridge where xor-zeroing doesn't need an execution port 上是次优的，但在 Bulldozer 系列上可能会胜出，mov 可以在 AGU 或 ALU 上运行，但异或归零仍需要 ALU 端口。

对于向量移动，Bulldozer 明显胜出：在寄存器重命名中处理，没有执行单元。但是 XMM 或 YMM 寄存器的异或归零仍然需要 Bulldozer 系列 (or two for ymm, so always use xmm with implicit zero-extension) 上的执行端口。

不过，我不认为在整个函数期间占用寄存器是合理的，尤其是在需要额外保存/恢复的情况下。并且不适用于寄存器读取停顿的 P6 系列 CPU。