问GCC对不同的if会做什么优化？

提问于 2024-05-05 19:22:21

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有一段需要重复运行多次的代码片段：

if(d < 254) {
    if(d < 252)
        return data[d];
    return random_bit() ? data[d] : -data[d];
}
// other code

d 是一个 uint8_t 随机数，每次运行都随机产生。这段代码不管是执行哪个 return 都需要两次 if 判断，于是我把代码优化成了这样：

if(d < 252)
    return data[d];
if(d < 254)
    return random_bit() ? data[d] : -data[d];
// other code

这样将会以非常大的概率（252/256）只进行一次 if 判断，应该会比上面的代码更快。

代码使用 -Ofast 编译，按理来说这两段代码对编译器来说应该是一模一样的，GCC 应该会产生相同的机器码。但是实际上两段机器指令并不一样。

嵌套 if 反编译代码：

   0x00000000004014d0 <+0>:	push   %r13
   0x00000000004014d2 <+2>:	push   %r12
   0x00000000004014d4 <+4>:	mov    %rdi,%r12
   0x00000000004014d7 <+7>:	push   %rbp
   0x00000000004014d8 <+8>:	push   %rbx
   0x00000000004014d9 <+9>:	sub    $0x18,%rsp
   0x00000000004014dd <+13>:	mov    0x200(%rdi),%rdx
   0x00000000004014e4 <+20>:	lea    0x1(%rdx),%rax
   0x00000000004014e8 <+24>:	movzbl (%rdi,%rdx,1),%ebx
   0x00000000004014ec <+28>:	mov    %rax,0x200(%rdi)
   0x00000000004014f3 <+35>:	cmp    $0x200,%rax
   0x00000000004014f9 <+41>:	je     0x401740 <function+624>
   0x00000000004014ff <+47>:	movzbl %bl,%ebp
   0x0000000000401502 <+50>:	cmp    $0xfd,%ebp                ; 与 254 比较
   0x0000000000401508 <+56>:	jg     0x401530 <function+96>
   0x000000000040150a <+58>:	cmp    $0xfb,%ebp                ; 与 252 比较
   0x0000000000401510 <+64>:	jg     0x401650 <function+384>
   0x0000000000401516 <+70>:	movsbl 0x405460(%rbp),%eax
   0x000000000040151d <+77>:	add    $0x18,%rsp
   0x0000000000401521 <+81>:	pop    %rbx
   0x0000000000401522 <+82>:	pop    %rbp
   0x0000000000401523 <+83>:	pop    %r12
   0x0000000000401525 <+85>:	pop    %r13
   0x0000000000401527 <+87>:	ret

可以看到如果小于等于 252 就会就地返回。

并列 if 反编译代码：

   0x00000000004014d0 <+0>:	push   %r13
   0x00000000004014d2 <+2>:	push   %r12
   0x00000000004014d4 <+4>:	push   %rbp
   0x00000000004014d5 <+5>:	push   %rbx
   0x00000000004014d6 <+6>:	mov    %rdi,%rbx
   0x00000000004014d9 <+9>:	sub    $0x18,%rsp
   0x00000000004014dd <+13>:	mov    0x200(%rdi),%rax
   0x00000000004014e4 <+20>:	lea    0x1(%rax),%rdx
   0x00000000004014e8 <+24>:	movzbl (%rdi,%rax,1),%ebp
   0x00000000004014ec <+28>:	mov    %rdx,0x200(%rdi)
   0x00000000004014f3 <+35>:	cmp    $0x200,%rdx
   0x00000000004014fa <+42>:	je     0x401720 <function+592>
   0x0000000000401500 <+48>:	movzbl %bpl,%r13d
   0x0000000000401504 <+52>:	cmp    $0xfb,%r13d                ; 与 252 比较
   0x000000000040150b <+59>:	jle    0x4016b0 <function+480>
   0x0000000000401511 <+65>:	mov    %ebp,%eax                  ; 下面是 random_bit 的内联展开
   0x0000000000401513 <+67>:	xor    %ebp,%ebp
   0x0000000000401515 <+69>:	mov    0x5ebf4(%rip),%rdx
   0x000000000040151c <+76>:	movabs $0x4000000000000000,%r12
   0x0000000000401526 <+86>:	and    $0x1,%eax
   0x0000000000401529 <+89>:	cmp    $0xfd,%r13d                ; 与 254 比较
   0x0000000000401530 <+96>:	jg     0x4015c1 <function+241>
   0x0000000000401536 <+102>:	test   %rdx,%rdx
   0x0000000000401539 <+105>:	je     0x401730 <function+608>
   0x000000000040153f <+111>:	shr    %rdx
   0x0000000000401542 <+114>:	mov    %rdx,0x5ebc7(%rip)
   0x0000000000401549 <+121>:	mov    0x5ebb8(%rip),%rdx
   0x0000000000401550 <+128>:	mov    %rdx,%rax
   0x0000000000401553 <+131>:	shr    %rax
   0x0000000000401556 <+134>:	mov    %rax,0x5ebab(%rip)
   0x000000000040155d <+141>:	movsbl 0x405460(%r13),%eax
   0x0000000000401565 <+149>:	mov    %eax,%ecx
   0x0000000000401567 <+151>:	neg    %ecx
   0x0000000000401569 <+153>:	and    $0x1,%edx
   0x000000000040156c <+156>:	cmove  %ecx,%eax
   0x000000000040156f <+159>:	add    $0x18,%rsp
   0x0000000000401573 <+163>:	pop    %rbx
   0x0000000000401574 <+164>:	pop    %rbp
   0x0000000000401575 <+165>:	pop    %r12
   0x0000000000401577 <+167>:	pop    %r13
   0x0000000000401579 <+169>:	ret

这段代码如果小于等于 252 就会大跳到 function+480 再返回，虽然大概率只进行一次 if 判断就返回，但是由于有一个大跳，速度会比嵌套 if 慢。

应该如何理解编译器会进行这样的优化呢？按理来说不应该有这个大跳才对。

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