C编译器剖析_6.2 汇编代码生成_寄存器的管理

在计算机中，CPU的速度比内存的速度快得多，编译器应尽量有效地利用寄存器资源，减少对内存的不必要访问，从而提高由编译器生成的汇编代码的运行速度。在中间代码生成阶段，UCC编译器用临时变量t来存放形如“t: a+b;”的公共子表达式的值；到了汇编代码生成时，UCC编译器会尽可能地把这些公共子表达式的值存放在寄存器，当需要再次重用时，就可以直接由相应的寄存器中得到。不过，CPU中寄存器的资源是很有限的，在32位的x86
芯片上，汇编程序员可用的寄存器有{eax,ebx, ecx,edx, esi,edi,esp,ebp}，不过寄存器esp一般用于指向栈顶，而ebp一般用于指向活动记录的底部。真正可供选择的寄存器就只有{eax,ebx,ecx,edx,esi,edi}这6个，当公共子表达式的个数比可用寄存器更多时，我们就要把某些寄存器的值回写(WriteBack)到“临时变量对应的内存单元”中，以便腾出可用寄存器来存放其他值。当然如果待回写的寄存器中的值已经不再需要，或者从内存载入CPU后并没有发生变化，我们就不必浪费时间去做回写操作了。这有点类似操作系统请求分页中的页面置换算法。为了简化寄存器的分配算法，UCC编译器只为临时变量分配寄存器，这意味着我们希望尽可能地重用形如“t:
a+b;”这样的公共子表达式。我们还是用一个简单的例子来说明一下UCC编译器的寄存器分配，如图6.2.1所示，第2至8行为函数f的代码，第9至13行为函数g的代码，在函数f第5行完成对s3的赋值后，我们有意在第6和第7行再次使用公共子表达式(a+b)和(c+d)。第32至46行是函数f对应的汇编代码，而第48至58行是函数g对应的汇编代码。



图6.2.1 寄存器分配的例子
由图6.2.1第15至23行的中间代码，我们可以发现函数f中有3个临时变量，每个都用于存放整数，共占用12字节的栈空间，第34行的“subl $12, %esp”用于在栈中开辟12字节内存来存放这3个临时变量。虽然我们通过第36行的“movl a,%eax”指令，把全局变量a从内存载入寄存器eax中，但在执行第37行的“addl b,%eax”指令后，寄存器eax中保存的就是临时变量“t0:
a+b”的值，之后寄存器eax就一直分配给t0 ，直到t0不再被使用，或者寄存器不够用时。可以发现，在第42行和第45行，我们都重用了保存于寄存器eax中的公共子表达式(a+b)，在第44行我们把“(a+b)+(c+d)”的值保存在寄存器edx中。与之形成对比的是在函数g的第57行，我们把“(a+b)+(c+d)”的值存于寄存器eax，其原因是在第57行后，基本块BB1中不再使用第25行的临时变量“t0: a+b”。
还需要注意的是，一条中间代码可能对应若干条的汇编指令，例如图6.2.1第16行的“t0:a+b;”就对应图6.2.1第36和37这两条汇编指令。
如果把寄存器分配的范围扩大到有名的变量（即C程序员命名的全局、静态和局部变量），还可进一步地减少内存的访问次数。例如，当我们把全局变量a读入某个寄存器R1后，之后再次需要a的值时，可直接由寄存器R1得到，不必再去访问内存。但是由于C程序员既可通过变量名来访问“有名的变量”，也可以通过变量的地址addr来间接访问，其访问方式比较灵活。如果通过*addr的形式来访问全局变量a，我们可能会把a的值加载到另一个寄存器R2中，对全局变量a再进行写操作时，就可能出现寄存器R1和R2中的内容不一致的问题。为了避免这样的问题，编译器需要做较复杂的分析。而临时变量只由编译器产生，对C程序员不可见，通常情况下，UCC编译器只对临时变量赋值一次，例如图6.2.1第15至29行的临时变量。不过有个例外，UCC编译器在处理形如“a>0?b:c”的条件表达式时，确实会对临时变量进行多次赋值，稍后我们会对此进行讨论。
为了简单起见，避免复杂的数据流分析，UCC编译器只为临时变量分配寄存器。接下来，我们来看一下用于分配寄存器的函数GetRegInternal，如图6.2.2第2至18行所示，第2行的参数width代表所需要寄存器的宽度，可以是1字节（对应寄存器al、cl和dl），也可以2字节（对应寄存器ax,cx,dx,bx,si和di），还可以是4字节的寄存器（对应eax,ecx,edx,ebx,esi和edi）。第12行调用FindEmptyReg函数来获取还未被分配的寄存器，如果不存在空寄存器，我们就要在第14行通过SelectSpillReg函数选择一个要回写的寄存器，再通过第15行的SpillReg函数将该寄存器中保存的值写回内存，这样该寄存器又可再次被分配。第17行在变量UsedRegs中设置相应的标志位，表示第i个寄存器已经被已经被使用。UCC编译器在为一条中间代码生成汇编指令前，都会先把变量UsedRegs清0，在稍后分析函数EmitBlock时，可以看到这一点。第1行的变量UsedRegs用于记录“已经分配给当前中间代码”的各个寄存器。



图6.2.2 GetRegInternal()
图6.2.2第19至28行的函数FindEmptyReg用于查找未被分配的寄存器，第22行的条件“X86Regs[i] !=NULL”会排除esp和ebp这两个栈寄存器，第23行的条件表示寄存器中没有保存临时变量的值（空寄存器EmptyRegister），第24行的条件表示该寄存器还没有分配给当前中间指令。若找不到空寄存器，则在第27行返回NO_REG。当所有寄存器都被分配完了，我们需要通过第29至48行的函数SelectSpillReg选择一个要淘汰的寄存器。这很像请求分页系统中的页面置换算法，我们需要按FIFO或LRU等算法来淘汰一些页面。UCC编译器会根据“寄存器对应临时变量的引用次数总和”来做选择，回写引用次数最少的寄存器，第32至45行对此进行处理。第48至58行的函数SpillReg会把保存在寄存器中的各临时变量的值写回内存，这个动作常被称为“寄存器溢出”。图6.2.2第52行的“p->needwb”不为0时，表示临时变量p在寄存器和内存中的值已经不一致，而“p->ref >
0”表示临时变量p还需要再次被使用，当这两个条件都符合时，我们才会调用53行的StoreVar函数来产生写内存的指令。当然，在目前版本的UCC编译器中，一个寄存器通常只保存一个临时变量的值，因此第38行和第50行这两个while语句的循环体只执行一次。换言之，第37行的链表X86Regs[i]->link和第49行的链表reg->link上的元素个数都不会超过1个。第51行设置p->reg为NULL，表示临时变量p的值不再保存在寄存器中。
为了加快浮点数的运算，Intel还提供了一个浮点协处理器X87，X87提供了由多个浮点寄存器构成的栈，但为了简单起见，UCC编译器实际上只使用位于栈顶的浮点数寄存器，来保存某个浮点数临时变量。UCC编译器中的指针变量X87Top用于指向该临时变量，当X87Top不为NULL时，表示相应临时变量的值保存在协处理器X87的栈顶。
static Symbol X87Top;
在此基础上，我们来看一下“为基本块产生汇编代码”的函数EmitBlock，如图6.2.3所示第1至24行所示，第3行的while循环会遍历基本块中的所有中间代码，第10行调用的EmitIRInst函数实现了为中间代码inst产生汇编指令的操作。由图6.2.3第25至29行可发现，这是通过查表来实现相应函数的调用，第27行的表格Emitter中存放了形如第33行的EmitJump的函数名。第33至38行的EmitJump函数用于为无条件跳转指令产生汇编代码。



图6.2.3 EmitBBlock()
虽然我们在中间代码生成阶段，只对同一基本块内的公共子表达式进行重用，但在遇到条件表达式“(a>0?b:c)”时，确实存在“一个基本块内的临时变量，可能会在其他基本块中被使用”的情况，如下所示，临时变量t0会在多个基本块中被赋值，当我们通过“gotoBB5”离开基本块BB3时，我们需要回写临时变量t0的值。
d = (a>0?b:c)+1;
///////////////对应的中间代码/////////////////
if (a <= 0) goto BB4;
BB3:
t0 = b; //对临时变量t0的赋值
goto BB5;
BB4:
t0 = c; //对临时变量t0的赋值
BB5:
t1 : t0 + 1;
d= t1;
因此，当控制流要通过跳转语句离开基本块，或者遇到函数调用时，我们要对寄存器进行回写操作，图6.2.3第8行调用的SaveX87Top用于回写X87的栈顶寄存器，而对X86寄存器的回写操作，我们将推迟到EmitJump、EmitBranch、EmitIndirectJump和EmitCall等函数中执行，分别对应“无条件跳转”，“有条件跳转”，“通过跳转表进行跳转”和“函数调用”。按C标准的规定，在函数调用时，主调函数只要回写eax、ecx和edx这3个寄存器即可。而在遇到跳转语句时，我们通过调用ClearRegs函数来回写“eax、ebx、ecx、edx、esp和ebp”这6个寄存器，如图6.2.3第37行所示。
函数SaveX87Top的代码在图6.2.3第48至57行，第53行调用的PutASMCode函数会产生浮点数的回写指令，我们会在后续章节对PutASMCode函数进行分析，第56行置X87Top为NULL，表示已不存在需要回写的临时变量。
我们还发现，在控制流离开上述基本块BB4时，我们也要把临时变量t0的值写回内存，这可通过图6.2.3第22行调用的ClearRegs和第23行调用的SaveX87Top函数来实现。当我们在图6.2.3第10行为一条中间代码产生汇编指令后，可在第14至18行把各操作数的引用计数减1，这会对前文所述选择溢出寄存器的SelectSpillReg函数产生影响。
在后续章节中，我们会对EmitBranch、EmitIndirectJump和EmitCall等为中间代码生成汇编指令的函数进行讨论。