为什么交换在 C++ 中不使用 Xor 操作答案

【问题标题】：Why swap doesn't use Xor operation in C++为什么交换在 C++ 中不使用 Xor 操作
【发布时间】：2012-05-19 22:04:58
【问题描述】：

我了解到可以使用异或操作来实现有效的交换功能。像这样：

template<class T>
void swap(T& a, T& b)
{
    a = a^b;
    b = a^b;
    a = a^b;
}

但是我在网上能找到的swap的实现基本上是这样的：

template<class T>
void swap(T& a, T& b)
{
    T temp(a);
    a = b;
    b = temp;
}

编译器似乎没有为上述两种形式生成相同的代码，因为我在 VC++ 2010 上对其进行了测试，第一个比std::swap 更快地完成了这项工作。第一个有便携性或任何其他问题吗？请随时纠正我的任何错误，因为我不是英语母语，也不擅长 C++。

（编者注：很可能测试是使用未优化的调试版本完成的，而不是 std::swap 可以内联的发布版本。基准调试版本毫无意义。编译器通常不会优化 xor-swap 到更多的东西效率。）

【问题讨论】：

只是一个假设：至少 x86 CPU 有XCHG 指令，比三个 XOR 更快。
您是否在启用优化的情况下运行测试？
@Joulukuusi x86 上的 XCHG 指令从来都不是交换替换。如果在内存操作数上使用它有一个隐式锁定前缀，它被用作同步工具。 XCHG reg, reg 可能会被使用，尽管我怀疑它是否需要 - 重命名寄存器更快。我已经写了几 k 行汇编，我从未有过使用 xchg 交换值的冲动。
@phresnel 天哪，我发现我从来没有接受过答案，因为我不知道如何接受。
@drhirsch，谢谢！事实证明，gcc 在我的机器上将第二个交换函数优化为几个movs。

【解决方案1】：

我了解到可以使用异或操作来实现有效的交换功能

恐怕你学错了。 XOR 交换已过时：如果它比使用临时值可靠地快，那么它不应该出现在现代编译器和处理器上（“现代”我的意思是大约过去 20 年或更长时间）。你说它对你来说更快，也许你应该展示你的基准代码，看看其他人是否得到相同的结果。

除了您的代码仅适用于整数类型这一事实之外，它还有一个基本错误。用你的交换版本试试这个：

int a = 1;
swap(a,a);
std::cout << a << '\n';

【讨论】：

【解决方案2】：

而且效果取决于你在哪里使用它。

在普通 cpu 上，两个整数变量的正常交换看起来像

$1 <- a
$2 <- b
a <- $2
b <- $1

4 次操作，2 次加载，2 次存储，最长依赖为 2

异或方式：

$1 <- a
$2 <- b
$3 <- $1 ^ $2
$4 <- $3 ^ $2
$5 <- $3 ^ $4
a <- $5
b <- $4

7 个操作，2 个加载，2 个存储，3 个逻辑，最长依赖为 4 个

因此，即使适用，至少通常使用 xor 进行交换也会更慢。

【讨论】：

使用现代 SSA 编译器，第一个更简单：Rename(a1,b2), Rename(b1,a2) - 不是一条 CPU 指令，而只是编译器的簿记工作。哪个变量进入了哪个寄存器？

【解决方案3】：

我认为最明显的原因是 XOR 运算符只对整数类型有意义。

【讨论】：

【解决方案4】：

当然，因为 xor 技巧适用于 POD 类型。

如果您想交换两个用户定义的复杂类型，xor 将不起作用。你需要一个深拷贝，而不是原始内存的直接拷贝，就像xor 所做的那样。

编辑：

我在 VC++ 2010 上对其进行了测试，第一个完成工作的速度更快（并且比 std::swap 更快）。

真的吗？你是在调试模式下编译的吗？你的结果是什么？

【讨论】：

【解决方案5】：

首先，XOR 运算符只为整数类型定义。

其次，您可以使用强制转换技巧将非整数类型转换为整数形式。

但第三，对于除 POD 类型之外的所有类型，这都会导致未定义的行为，

第四，对于 XOR 操作没有得到很好支持的大小/对齐方式的类型，需要更多的操作（循环是最不坏的）。

您可以重载operator^，但这意味着swap() 的每个特化都必须确保它存在或定义一个，这可能会在名称查找时产生比值得的更多的混乱。当然，如果这样的操作符已经存在，它不一定有正确的行为，你可能会得到更差的性能，因为这样的重载不一定是inline 或constexpr。

【讨论】：