.Net8顶级技术:边界检查之IR解析(二）
前言
IR技术应用在各个编程语言当中，它属于JIT的核心部分，确实有点点麻烦。但部分基本明了。本篇通过.Net8里面的边界检查的小例子了解下。前情提要，看这一篇之前建议看看前一篇：点击此处，以便于理解。
概括
1.前奏
先上C#代码：
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
private static bool Test(int[] array)
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42)
{
return true;
}
}
return false;
}
Test函数经过Roslyn编译成IL代码之后，会被JIT导入及操作变成IR。
BBnum BBid ref try hnd preds weight lp [IL range] [jump] [EH region] [flags]
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
BB01 [0007] 1 1 [???..???)-> BB04 ( cond ) internal
BB02 [0001] 2 BB01,BB03 4 0 [004..00B)-> BB05 ( cond ) i Loop idxlen bwd bwd-target align
BB03 [0003] 1 BB02 4 0 [00D..019)-> BB02 ( cond ) i bwd
BB04 [0005] 2 BB01,BB03 0.50 [019..01B) (return) i
BB05 [0002] 1 BB02 0.50 [00B..00D) (return) i
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
可以看到IL被分割成了五个BB(basic block).注意表格的BBnum和jump列。BB01的BBnum就是BB01,它的jump是BB04。为啥是BB04?因为BB01的IR表示的是如果(i>=0x12345),则跳转到BB04，也就是BB01的正常逻辑。下面看下这个五个BB.
------------ BB01 [???..???) -> BB04 (cond), preds={} succs={BB02,BB04}
***** BB01
STMT00006 ( 0x011[E-] ... ??? )
( 7, 9) [000038] ----------- * JTRUE void
( 5, 7) [000039] J------N--- \--* GE int
( 3, 2) [000040] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
( 1, 4) [000041] ----------- \--* CNS_INT int 0x12345
------------ BB02 [004..00B) -> BB05 (cond), preds={BB01,BB03} succs={BB03,BB05}
***** BB02
STMT00002 ( 0x004[E-] ... 0x009 )
[000013] ---XG+----- * JTRUE void
[000012] N--XG+-N-U- \--* EQ int
[000034] ---XG+----- +--* COMMA int
[000026] ---X-+----- | +--* BOUNDS_CHECK_Rng void
[000008] -----+----- | | +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000025] ---X-+----- | | \--* ARR_LENGTH int
[000007] -----+----- | | \--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000035] n---G+----- | \--* IND int
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000032] -----+----- | \--* ADD byref
[000023] -----+----- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000031] -----+----- | \--* ADD long
[000029] -----+----- | +--* LSH long
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16
[000011] -----+----- \--* CNS_INT int 42
------------ BB03 [00D..019) -> BB02 (cond), preds={BB02} succs={BB04,BB02}
***** BB03
STMT00003 ( 0x00D[E-] ... 0x010 )
[000018] -A---+----- * ASG int
[000017] D----+-N--- +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000016] -----+----- \--* ADD int
[000014] -----+----- +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000015] -----+----- \--* CNS_INT int 1
***** BB03
STMT00001 ( 0x011[E-] ... 0x017 )
( 7, 9) [000006] ----------- * JTRUE void
( 5, 7) [000005] J------N--- \--* LT int
( 3, 2) [000003] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
( 1, 4) [000004] ----------- \--* CNS_INT int 0x12345
------------ BB04 [019..01B) (return), preds={BB01,BB03} succs={}
***** BB04
STMT00005 ( 0x019[E-] ... 0x01A )
[000022] -----+----- * RETURN int
[000037] -----+----- \--* CNS_INT int 0
------------ BB05 [00B..00D) (return), preds={BB02} succs={}
***** BB05
STMT00004 ( 0x00B[E-] ... 0x00C )
[000020] -----+----- * RETURN int
[000036] -----+----- \--* CNS_INT int 1
preds表示能在逻辑上执行到当前块的所有快，succs表示当前语句逻辑能达到的BB块。举个例子：比如BB01，首先看下这条IR表示的如果(i>=0x12345)，则跳转到BB04,也就是直接返回0。因为逻辑是索引大于了循环的最大次数，是不合理的。如果(i<0x12345),则跳转到BB02,也就是判断(array[i]是否等于42)。上面BB01的predes为空，则表示没有逻辑能达到这条语句。它的succs为BB02和BB04，跟上面的推测吻合。其它依次类推。
2.BB的IR表示
通过上面的BB01到BB05的观察，得知它们分别表示如下：
一：BB01
if(i>=0x12345)
二：BB02
if(array[i]==42)
三：BB03
i=i+1;
if(i<0x12345)
四：BB04
return 0
五：BB05
return 1
以上循环被分割成了五个BB。它的实际逻辑如下：
if(i>=0x12345)
{
return flase;
}
else
{
for(i<0x12345;i++)
{
if(array[i]==42)
{
return true;
}
}
return flase;
}
所以呢，实际是示例的for循环，被分解成了上面的代码。但是还没完，为了确保这个array[i]不会出现内存访问的错误，BB02里面有个BOUNDS_CHECK_Rng的边界检查技术，它会判断array[i]里的i索引是否查过array.length的长度，因为在for循环里面，所以每次都会判断，会增加相应的开销。为了达到最优的效果，.Net8会去掉这开销。那么应该怎么做呢？继续看。
JIT先增加BB06,BB07,BB08,BB09四个块，然后把BOUNDS_CHECK_Rng给去掉。
去掉前后对比如下。
去掉前：
[000013] ---XG+----- * JTRUE void
[000012] N--XG+-N-U- \--* EQ int
[000034] ---XG+----- +--* COMMA int
[000026] ---X-+----- | +--* BOUNDS_CHECK_Rng void
[000008] -----+----- | | +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000025] ---X-+----- | | \--* ARR_LENGTH int
[000007] -----+----- | | \--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000035] n---G+----- | \--* IND int
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000032] -----+----- | \--* ADD byref
[000023] -----+----- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000031] -----+----- | \--* ADD long
[000029] -----+----- | +--* LSH long
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16
[000011] -----+----- \--* CNS_INT int 42
去掉后：
[000013] ----G+----- * JTRUE void
[000012] N---G+-N-U- \--* EQ int
[000034] ----G+-N--- +--* COMMA int
[000026] -----+----- | +--* NOP void
[000035] n---G+----- | \--* IND int
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000032] -----+----- | \--* ADD byref
[000023] -----+----- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000031] -----+----- | \--* ADD long
[000029] -----+----- | +--* LSH long
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16
[000011] -----+----- \--* CNS_INT int 42
然后再新增BB10,BB11,BB12,BB13四个BB块。这些BB块如下所示：
------------ BB01 [???..???) -> BB12 (cond), preds={} succs={BB02,BB12}
***** BB01
STMT00006 ( 0x011[E-] ... ??? )
( 7, 9) [000038] ----------- * JTRUE void
( 5, 7) [000039] J------N--- \--* GE int
( 3, 2) [000040] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
( 1, 4) [000041] ----------- \--* CNS_INT int 0x12345
------------ BB02 [???..???), preds={BB01} succs={BB03}
------------ BB03 [???..???) -> BB09 (cond), preds={BB02} succs={BB04,BB09}
***** BB03
STMT00010 ( ??? ... ??? )
( 7, 6) [000072] ----------- * JTRUE void
( 5, 4) [000071] J------N--- \--* EQ int
( 3, 2) [000069] ----------- +--* LCL_VAR ref V00 arg0
( 1, 1) [000070] ----------- \--* CNS_INT ref null
------------ BB04 [???..???) -> BB09 (cond), preds={BB03} succs={BB05,BB09}
***** BB04
STMT00011 ( ??? ... ??? )
( 7, 6) [000076] ----------- * JTRUE void
( 5, 4) [000075] J------N--- \--* LT int
( 3, 2) [000073] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
( 1, 1) [000074] ----------- \--* CNS_INT int 0
------------ BB05 [???..???) -> BB09 (cond), preds={BB04} succs={BB06,BB09}
***** BB05
STMT00012 ( ??? ... ??? )
( 9, 11) [000081] ---X------- * JTRUE void
( 7, 9) [000080] J--X---N--- \--* LT int
( 5, 4) [000079] ---X------- +--* ARR_LENGTH int
( 3, 2) [000078] ----------- | \--* LCL_VAR ref V00 arg0
( 1, 4) [000077] ----------- \--* CNS_INT int 0x12345
------------ BB06 [004..00B) -> BB13 (cond), preds={BB05,BB07} succs={BB07,BB13}
***** BB06
STMT00002 ( 0x004[E-] ... 0x009 )
[000013] ----G+----- * JTRUE void
[000012] N---G+-N-U- \--* EQ int
[000034] ----G+-N--- +--* COMMA int
[000026] -----+----- | +--* NOP void
[000035] n---G+----- | \--* IND int
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000032] -----+----- | \--* ADD byref
[000023] -----+----- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000031] -----+----- | \--* ADD long
[000029] -----+----- | +--* LSH long
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16
[000011] -----+----- \--* CNS_INT int 42
------------ BB07 [00D..019) -> BB06 (cond), preds={BB06} succs={BB08,BB06}
***** BB07
STMT00003 ( 0x00D[E-] ... 0x010 )
[000018] -A---+----- * ASG int
[000017] D----+-N--- +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000016] -----+----- \--* ADD int
[000014] -----+----- +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000015] -----+----- \--* CNS_INT int 1
***** BB07
STMT00001 ( 0x011[E-] ... 0x017 )
( 7, 9) [000006] ----------- * JTRUE void
( 5, 7) [000005] J------N--- \--* LT int
( 3, 2) [000003] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
( 1, 4) [000004] ----------- \--* CNS_INT int 0x12345
------------ BB08 [???..???) -> BB12 (always), preds={BB07} succs={BB12}
------------ BB09 [???..???), preds={BB03,BB04,BB05} succs={BB10}
------------ BB10 [004..00B) -> BB13 (cond), preds={BB09,BB11} succs={BB11,BB13}
***** BB10
STMT00007 ( 0x004[E-] ... ??? )
[000042] ---XGO----- * JTRUE void
[000043] N--XGO-N-U- \--* EQ int
[000044] ---XGO----- +--* COMMA int
[000045] ---X-O----- | +--* BOUNDS_CHECK_Rng void
[000046] ----------- | | +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000047] ---X------- | | \--* ARR_LENGTH int
[000048] ----------- | | \--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000049] n---GO----- | \--* IND int
[000050] -----O----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000051] ----------- | \--* ADD byref
[000052] ----------- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000053] ----------- | \--* ADD long
[000054] ----------- | +--* LSH long
[000055] ---------U- | | +--* CAST long <- uint
[000056] ----------- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000057] -------N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000058] ----------- | \--* CNS_INT long 16
[000059] ----------- \--* CNS_INT int 42
------------ BB11 [00D..019) -> BB10 (cond), preds={BB10} succs={BB12,BB10}
***** BB11
STMT00008 ( 0x00D[E-] ... ??? )
[000060] -A--------- * ASG int
[000061] D------N--- +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000062] ----------- \--* ADD int
[000063] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000064] ----------- \--* CNS_INT int 1
***** BB11
STMT00009 ( 0x011[E-] ... ??? )
( 7, 9) [000065] ----------- * JTRUE void
( 5, 7) [000066] J------N--- \--* LT int
( 3, 2) [000067] ----------- +--* LCL_VAR int V01 loc0
( 1, 4) [000068] ----------- \--* CNS_INT int 0x12345
------------ BB12 [019..01B) (return), preds={BB01,BB08,BB11} succs={}
***** BB12
STMT00005 ( 0x019[E-] ... 0x01A )
[000022] -----+----- * RETURN int
[000037] -----+----- \--* CNS_INT int 0
------------ BB13 [00B..00D) (return), preds={BB06,BB10} succs={}
***** BB13
STMT00004 ( 0x00B[E-] ... 0x00C )
[000020] -----+----- * RETURN int
[000036] -----+----- \--* CNS_INT int 1
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3.BB块分析
通过去掉的边界检查，进行的优化之后。新增了7个BB块，总共有13个BB块。那么这些BB干嘛的呢？实际上就是为了去掉边界检查（因为在for循环里，每次都要判断），而确保内存array[i]在正确内存范围内。逐一来看下：
BB01:
if(i>=0x12345)判断索引是否大于循环最大值
BB02
无
BB03
if(array==null) //这里是判断数组的地址是否等于0
BB04
if(i<0)判断索引是否小于0
BB05
if(array.length<0x12345)判断数组长度是否小于循环最大数0x12345
BB06
if(array[i]==42)
BB07
i=i+1索引自增
BB08
无
BB09
无
BB10
if(i<array.length) //这里跟上面的BB06一样，但是多了边界检查。BB06去掉，这里没去掉。是因为这里需要边界检查，而BB06不需要。一个快速路径，一个慢速路径。
if(array[i]==42)
BB11
i=i+1
BB12
return 0
BB02
return 1
它实际逻辑是：
if(i<0x12345 && array!= null && i>0 && array.Length >= 0x12345 )//再去掉边界检查之后的优化里，这进行大量的检查，确保array[i],在正确内存范围内。
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42) 不检查边界，因为上面的if检查过了
{
return true;
}
}
}
else //如果上面的if有一个条件不符合，则进行边界检查。优化不成功
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42) 这里需要边界检查也就是BOUNDS_CHECK_Rng
{
return true;
}
}
}
结尾
作者:江湖评谈
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