i—比 i++ 快？

今天在微博上看到有人说 i—比 i++ 快，我用C写了个程序测试了一下，还真的是快，难道减法运算比加法快？从原理上分析感觉不可能啊，于是深入研究了一下，终于找到原因。

先看一下测试代码：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main()
{
    int count = 1000000000;

    clock_t cl = clock ();

    for(int i = count; i > 0 ; i--)
    {
    }

    printf("Elapse %u ms\r\n", (clock () - cl));

    cl = clock ();

    for(int i = 0; i < count ; i++)
    {
    }

    printf("Elapse %u ms\r\n", (clock () - cl));

    return 0;
}

 

以上代码在VC 2008 下编译，编译时取消优化选项（如果不取消优化的话，上面两个循环语句由于什么都没干，会被编译器优化掉)。

运行后的结果是
Elapse 2267 ms
Elapse 2569 ms

也就是说减法循环比加法循环10亿次时快300毫秒，超过10%。

从C语言层面上分析，这两个代码几乎是一样的，我一开始也是楞了1分多钟，后来仔细比较两个代码，感觉它们的差别主要在两个地方，一个是加法和减法的差别，一个是for循环的第二个语句中一个是和立即数比较一个是和变量比较。以我掌握的计算机硬件原理知识，我首先排除了第一个差别造成性能影响的可能，那么问题很可能就出在第二个差别上，因为我知道在汇编语言中两个内存变量是不能直接比较的，中间必须要通过寄存器转储一次。这样就会多出至少一个指令。问题可能就在这里。为了验证我的判断，我们来看一下上面代码的汇编语句到底是什么样子的：

 

 

int main()
{
00CC1000  push        ebp
00CC1001  mov         ebp,esp
00CC1003  sub         esp,10h

    int count = 1000000000;
00CC1006  mov         dword ptr [count],3B9ACA00h


    clock_t cl = clock ();
00CC100D  call        dword ptr [__imp__clock (0CC209Ch)]
00CC1013  mov         dword ptr [cl],eax

    for(int i = count; i > 0 ; i--)
00CC1016  mov         eax,dword ptr [count]
00CC1019  mov         dword ptr [i],eax
00CC101C  jmp         main+27h (0CC1027h)
  19:  00CC101E  mov         ecx,dword ptr [i] //把i的内存值拷贝到寄存器ecx中
  20:  00CC1021  sub         ecx,1 //ecx 减1
  21:  00CC1024  mov         dword ptr [i],ecx //把ecx 的值拷贝到i对应的内存地址,这里完成i--操作
  22:  00CC1027  cmp         dword ptr [i],0 //i对应的内存值和0进行比较
  23:  00CC102B  jle         main+2Fh (0CC102Fh) //如果小于等于0，跳转到98行
  24:      {
  25:      }
  26:  00CC102D  jmp         main+1Eh (0CC101Eh)//如果大于0，跳转到19行，继续循环

    printf("Elapse %u ms", (clock () - cl));
00CC102F  call        dword ptr [__imp__clock (0CC209Ch)]
00CC1035  sub         eax,dword ptr [cl]
00CC1038  push        eax
00CC1039  push        offset ___xi_z+30h (0CC20F4h)
00CC103E  call        dword ptr [__imp__printf (0CC20A4h)]
00CC1044  add         esp,8

    cl = clock ();
00CC1047  call        dword ptr [__imp__clock (0CC209Ch)]
00CC104D  mov         dword ptr [cl],eax

    for(int i = 0; i < count ; i++)
00CC1050  mov         dword ptr [i],0
00CC1057  jmp         main+62h (0CC1062h)
  43:  00CC1059  mov         edx,dword ptr [i]//把i的内存值拷贝到寄存器edx中
  44:  00CC105C  add         edx,1 //edx 加 1
  45:  00CC105F  mov         dword ptr [i],edx //将edx的值拷贝到i变量对应地址
  46:  00CC1062  mov         eax,dword ptr [i] //将i变量值拷贝到寄存器eax中
  47:  00CC1065  cmp         eax,dword ptr [count] //用eax 和 count地址上的值进行比较
  48:  00CC1068  jge         main+6Ch (0CC106Ch)//如果大于等于count，跳出循环
  49:      {
  50:      }
  51:  00CC106A  jmp         main+59h (0CC1059h)//否则跳转到43行继续循环

 

我把汇编语句中的循环部分用红色标记出来，并加上注释。我们可以清楚的看到第二个循环中的汇编指令为7个，第一个为6个，也就是说第一个要比第二个要快 1/7 左右，这个和实际测试出来的结果基本上是吻合的。

那么我们再看看为什么编译器要多一个机器指令。原因是汇编语句不可能对两个内存值直接比较，内存值只能和寄存器进行比较，这个应该是计算机硬件结构决定的，这个问题就导致编译器必须要加一个指令来转储内存值到寄存器中。

再进一步，我们发现编译器似乎很蠢，如果在循环之前把 dword ptr[count] 拷贝到一个寄存器中，比如 ecx ，然后在46 行直接 cmp ecx, dword ptr [i] ，就不需要第47行这个指令了。但事实上编译器可能并没有蠢到这个地步，本文前面说过，我将编译器的优化给禁用了，因为如果优化的话，上面两个for循环将被完全忽略掉，根本不会执行，测试出来的时间为0秒。那么既然我们告诉编译器不优化，编译器也就不会优化这个指令，如果真的按照上面方法优化了，那么在调试环境下，如果我们想在循环中更改 count 的值就比较困难了，需要调试器来做一些编译器要做的事情。

再深入一点，我们还会发现这个汇编语句中还有一个地方可以优化，就是

 

  21:  00CC1024  mov         dword ptr [i],ecx //把ecx 的值拷贝到i对应的内存地址,这里完成i--操作 

  22:  00CC1027  cmp         dword ptr [i],0 //i对应的内存值和0进行比较 

第22行这个地方完全可以优化为 cmp ecx, 0

我们知道对寄存器的读写是最快的，其次是一级缓存，二级缓存，三级缓存，然后才是内存，最后是磁盘。

如果22行优化为 cmp ecx, 0 其运行速度肯定要比 cmp dword ptr[i], 0 要快，因为后面的语句要进行一次寻址，从缓存中读取数据（如果CPU有缓存的话），如果没缓存，就是从内存读一次，那就更慢了。

 

最后我们把i++那个循环改成

for(int i = 0; i < 1000000000 ; i++) 再测一次，结果为

Elapse 2334 ms
Elapse 2290 ms

可以看出两个循环的用时基本上相等了

    for(int i = 0; i < 1000000000 ; i++)
01201050  mov         dword ptr [i],0 
01201057  jmp         main+62h (1201062h) 
01201059  mov         edx,dword ptr [i] 
0120105C  add         edx,1 
0120105F  mov         dword ptr [i],edx 
01201062  cmp         dword ptr [i],3B9ACA00h 
01201069  jge         main+6Dh (120106Dh) 
    {
    }
0120106B  jmp         main+59h (1201059h) 

 

看一下汇编语句，for 循环的第二句改成立即数比较后，汇编语句变成了6个指令了。所以用时也基本相同了。

 

结论：

i++ 和 i-- 性能是没有区别的，之所以我们感觉i--快，是因为在汇编层面上，i++ 那个循环中多了一个机器指令造成的。另外通过本文，我们也了解了一些关于汇编的指令优化的知识，希望对大家能有帮助。

 

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