旭穹の陋室

循环与条件

让我们考虑一个稍微复杂一点的例子：

loop:
    add  edx, DWORD PTR [rax]
    add  rax, 4
    cmp  rax, rcx
    jne  loop

它会对32位整数数组进行求和，就像简单的for循环一样。

循环体是add edx, DWORD PTR [rax]：该指令根据迭代器rax加载数据，并将其累加到累加器edx。接下来，我们通过add rax, 4将迭代器向前移动4个字节。然后，一件稍微复杂一些的事情发生了。

汇编语言没有高级语言所具有的if-s、for-s、函数或其他流控制结构。它所拥有的是goto，在低级编程世界中，它的另一个名字跳转（Jump）更为出名。

跳转将指令指针移动到由其操作数指定的位置。这个位置可以是内存中的绝对地址，相对于当前地址的相对地址，甚至可以是在运行时计算的地址。为了避免直接管理这些地址的麻烦，你可以用后面跟着:的字符串来标记任何指令，然后将此字符串用作标签，当转换为机器代码时，该标签将被该指令的相对地址所取代。

标签可以是任何字符串，但编译器没有创造性，在为标签选择名称时，通常只使用源代码中的行号和函数名。

无条件跳转jmp只能用于实现while(true)类型的循环或将程序的几个部分拼在一起。使用一系列条件跳转来实现实际的流控制。

在软件角度看，条件跳转的工作方式是：条件比较在某个地方被计算为bool值，并作为操作数传递给条件跳转。但在硬件中并不是这样实现的，条件运算会使用一个特殊的FLAGS寄存器，该寄存器首先需要通过执行某种检查的指令来填充。

在我们的示例中，cmp rax, rcx将迭代器rax与数组结束指针rcx进行比较。这会更新FLAGS寄存器，然后该寄存器可以被用于jne loop，jne指令在该寄存器查找一个特定的位，该位表示这两个值是否相等，基于此位，决定是跳回到开始，还是继续到下一条指令，从而跳出循环。

你可能已经注意到了，上面循环的例子中，处理单个元素会有很多额外开销。在每个周期中，只执行了一条有用的指令，其他3条指令都在递增迭代器，并判断循环终止条件。

我们可以做的是通过将迭代操作分组来展开循环——相当于用C语言写这样的东西：

for (int i = 0; i < n; i += 4) {
    s += a[i];
    s += a[i + 1];
    s += a[i + 2];
    s += a[i + 3];
}

在汇编中，它看起来是这样的：

loop:
    add  edx, [rax]
    add  edx, [rax+4]
    add  edx, [rax+8]
    add  edx, [rax+12]
    add  rax, 16
    cmp  rax, rsi
    jne  loop

现在我们只需要为每4条有效指令提供3条循环控制指令（从1/4到4/7的效率提升），并且循环展开可以一直做，直到额外开销几乎减少为零。

在实践中，展开循环并不总是能提高效率，因为现代处理器实际上并不是一个接一个地执行指令，而是维护一个挂起指令的队列，这样两个独立的操作就可以同时执行，而无需等待彼此完成。

我们的例子也是如此：展开后的真正加速不会是四倍，因为递增计数器和循环结束检查的操作独立于循环体，可以调度成与循环体并行运行。但在某些情况下，要求编译器做循环展开可能仍然是有益的。

另一种方法

不必显式地使用cmp或类似的指令来进行条件跳转。许多其他指令也会读取或修改FLAGS寄存器，有时使能可选的异常检查也会修改FLAGS寄存器。

例如，add会设置多个标志，表示结果是否为零、是否为负、是否发生上溢或下溢等。利用这种机制，编译器通常会生成这样的循环汇编代码：

    mov  rax, -100  ; replace 100 with the array size
loop:
    add  edx, DWORD PTR [rax + 100 + rcx]
    add  rax, 4
    jnz  loop       ; checks if the result is zero

这段代码对一般人来说可读性稍差，但它在循环部分减少了一条指令，这可能有助于提升性能。