如何将 C++ 变量存储在寄存器中

Question

我想澄清一下关于寄存器变量存储的一点： 有没有办法确保如果我们在代码中声明了一个寄存器变量，它只会存储在一个寄存器中？

#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{
    register int i = 10;// how can we ensure this will store in register only.
    i++;
    cout << i << endl;
    return 0;
}

Answer 1

你不能。这只是对编译器的提示，表明该变量被大量使用。这是 C99 的措辞：

为具有存储类说明符register 的对象声明标识符建议尽可能快地访问该对象。此类建议的有效程度由实施定义。

这是 C++11 的措辞：

register 说明符暗示了这样声明的变量将被大量使用的实现。 [ 注意：提示可以被忽略，并且在大多数实现中，如果变量的地址被获取，它将被忽略。这种用法已被弃用（见 D.2）。 ——尾注]

事实上，register 存储类说明符在 C++11（附件 D.2）中已被弃用：

不推荐使用register 关键字作为存储类说明符 (7.1.1)。

请注意，您不能在 C 中获取 register 变量的地址，因为寄存器没有地址。这个限制在 C++ 中被删除了，并且几乎可以保证获取地址以确保变量不会最终出现在寄存器中。

许多现代编译器只是忽略 C++ 中的 register 关键字（当然，除非它以无效的方式使用）。它们在优化方面比register 关键字有用时要好得多。我希望针对小众目标平台的编译器会更加认真地对待它。

Answer 2

register 关键字在 C 和 C++ 中具有不同的含义。在 C++ 中，它实际上是多余的，现在似乎已被弃用。

在 C 中是不同的。首先不要从字面上理解关键字的名称，它并不总是与现代 CPU 上的“硬件寄存器”有关。对register 变量施加的限制是不能获取它们的地址，不允许& 操作。这允许您标记一个变量以进行优化，并确保如果您尝试获取其地址，编译器会向您大喊大叫。特别是 register 变量同时也是 const 限定的永远不能别名，因此它是一个很好的优化候选者。

在 C 中使用 register 会系统地迫使您考虑获取变量地址的每个地方。这可能不是您在 C++ 中想要做的事情，它严重依赖于对对象和类似事物的引用。这可能是 C++ 没有从 C 复制 register 变量的这个属性的原因。

Answer 3

一般来说是不可能的。具体来说，可以采取某些措施来增加概率：

使用适当的优化级别，例如。 -O2

尽量减少变量的数量

register int a,b,c,d,e,f,g,h,i, ... z;  // can also produce an error
// results in _spilling_ a register to stack
// as the CPU runs out of physical registers

不要取寄存器变量的地址。

register int a;
int *b = &a;  /* this would be an error in most compilers, but
                 especially in the embedded world the compilers
                 release the restrictions */

在一些编译器中，你可以建议

register int a asm ("eax");  // to put a variable to a specific register

Answer 4

这只是对编译器的提示；您不能强制将变量放入寄存器。无论如何，编译器编写者可能比应用程序程序员更了解目标体系结构，因此更适合编写做出寄存器分配决策的代码。换句话说，你不可能通过使用register 来实现任何目标。

Answer 5

“register”关键字是编译器必须安装在具有 2MB RAM 的机器上的残余（在 18 个终端之间共享，每个终端都有一个用户登录）。或具有 128-256KB RAM 的 PC/家用电脑。那时，编译器无法真正运行一个大函数来确定哪个寄存器用于哪个变量，以最有效地使用寄存器。因此，如果程序员使用register 给出“提示”，编译器会将其放入寄存器（如果可能）。

现代编译器无法在 2MB 的 RAM 中多次安装，但它们在将变量分配给寄存器方面要聪明得多。在给出的示例中，我发现编译器不会将它放入寄存器中是非常不可能的。显然，寄存器的数量是有限的，并且给定一段足够复杂的代码，一些变量将不适合寄存器。但是对于这样一个简单的示例，现代编译器会将i 设为寄存器，并且它可能直到ostream& ostream::operator<<(ostream& os, int x) 内部的某个位置才会触及内存。

Answer 6

确保您使用寄存器的唯一方法是使用内联汇编。但是，即使您这样做，也不能保证编译器不会将您的值存储在内联汇编块的外部。当然，您的操作系统可能会决定在任何时候中断您的程序，将所有寄存器存储到内存中，以便将 CPU 分配给另一个进程。

因此，除非您在内核中编写汇编代码并禁用所有中断，否则绝对无法确保您的变量永远不会撞到内存。

当然，这仅在您担心安全时才有意义。从性能的角度来看，使用-O3 编译通常就足够了，编译器通常可以很好地确定哪些变量要保存在寄存器中。无论如何，将变量存储在寄存器中只是性能调整的一小部分，更重要的方面是确保在内循环中不会完成多余或昂贵的工作。

Answer 7

通常 CPP 编译器 (g++) 会对代码进行很多优化。因此，当您声明一个寄存器变量时，编译器没有必要将该值直接存储在寄存器中。 （即）代码“register int x”可能不会导致编译器将该 int 直接存储在寄存器中。但是如果我们可以强制编译器这样做，我们可能会成功。

例如，如果我们使用以下代码，那么我们可能会强制编译器执行我们想要的操作。下面这段代码的编译可能会出错，这表明 int 实际上是直接存储在寄存器中的。

int main() {
    volatile register int x asm ("eax"); 
    int y = *(&x);
    return 0;
}

对我来说，g++ 编译器在这种情况下会抛出以下错误。

[nsidde@nsidde-lnx cpp]$ g++ register_vars.cpp 
register_vars.cpp: In function ‘int main()’:
register_vars.cpp:3: error: address of explicit register variable ‘x’ requested

'volatile register int x asm ("eax")' 行指示编译器将整数 x 存储在 'eax' 寄存器中，这样做不做任何优化。这将确保该值直接存储在寄存器中。这就是为什么访问变量的地址会引发错误。

或者，C 编译器 (gcc) 可能会因以下代码本身出错。

int main() {
    register int a=10;
    int c = *(&a);
    return 0;
}

对我来说，gcc 编译器在这种情况下会抛出以下错误。

[nsidde@nsidde-lnx cpp]$ gcc register.c 
register.c: In function ‘main’:
register.c:5: error: address of register variable ‘a’ requested

Answer 8

这里你可以在 C++ 中使用volatile register int i = 10 来确保i 被存储在寄存器中。 volatile 关键字不允许编译器优化变量i。