0. 寫在最前面
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第二篇持續更新位址：C++各種循環方式梳理及對比（2）進階循環
整理這兩篇東西花了快一個周末，覺得還不錯給個贊呗
在學習的過程中發現C++有各種各樣的循環方式，比如最基本的:
- for
- while
後面增加的：
- std::for_each
- Range-based for loop (since C++11)
- std::for_each_n
- std::transform
這些循環方式各有特點，調用方式也不同。本文将整理他們的異同，并嘗試比較他們的效率。很多情況下，程式80%的時間會被20%的代碼消耗，而這20%的代碼多為循環。
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1. 結論
将結論寫在前面，是因為深入探究這個東西會又長又臭，很多人沒那個耐心看下去。但你如果能耐心看下去，相信還是會有更深刻的收獲的。
- for和while的彙編都是一樣的。
- for中的判斷，最好是将函數的值給一個const型變量，像下面這樣：
const int size = getSize(); for (int i = 0; i < size; ++i){ } - 對于現代編譯器，将i寫在循環外和循環内沒有差別
2. for與while的性能
2.1 for與while的差別
用《C++ Primer Plus》的話來說，
while循環是沒有初始化和更新部分的for循環，它隻有測試條件和循環體
。
測試代碼：
#include <iostream>
int main (int argc, char** argv)
{
int i = 0;
const int data_size = 100;
int data[data_size] = {0};
for (; i < data_size; ++i){
data[i] = i;
}
i = 0;
while(i < data_size){
data[i] = i;
++i;
}
return 0;
}
在指令行輸入一下指令
g++ ./objdump.cpp -g # ./objdump.cpp是我的檔案，-g輸出調試資訊
objdump -S a.out -M intel # 使用objdump進行彙編分析，-M指定彙編風格
這種彙編分析的好處是能讓C++代碼跟彙編代碼一一對應，但是看起來不夠整體。認真了解了代碼對應後，直接将
cpp
檔案轉成彙編
.s
檔案:
得到彙編檔案
objdump.s
，其中與for和while循環相關的彙編如下：
.L3:
cmp DWORD PTR [rbp-424], 99 ; 先将i與99對比
jg .L2 ; 不符合直接跳轉到下面
mov eax, DWORD PTR [rbp-424] ; 将i移到累加寄存器eax
cdqe ; 該指令将EAX簽名擴充為RAX。它是movslq %eax, %rax的簡短形式，與AT&T風格的cltq等效
mov edx, DWORD PTR [rbp-424] ; 将i移到edx寄存器，該寄存器總是用來存放整數除法産生的餘數
mov DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx ; 将edx移到對應的data[i]位址
add DWORD PTR [rbp-424], 1 ; i + 1
jmp .L3 ; 跳回for循環
.L2:
mov DWORD PTR [rbp-424], 0
.L5:
cmp DWORD PTR [rbp-424], 99
jg .L4
mov eax, DWORD PTR [rbp-424]
cdqe
mov edx, DWORD PTR [rbp-424]
mov DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
add DWORD PTR [rbp-424], 1
jmp .L5
.L4:
mov eax, 0
mov rsi, QWORD PTR [rbp-8]
xor rsi, QWORD PTR fs:40
je .L7
call __stack_chk_fail
可以看到，while和for的彙編都是一樣的，性能也就肯定一樣啦。
2.2 for中的判斷應該怎麼寫
// A
for (int i = 0; i < vec.size(); ++i){
}
// B
const int size = vec.size();
for (int i = 0; i < size; ++i){
}
for裡面有一個判斷條件，經常會糾結，到底是A好，還是B好。
測試代碼：
#include <iostream>
const int kDataSize = 100;
int data_size = 100;
const int getSize(void)
{
return kDataSize;
}
int main (int argc, char** argv)
{
int data[kDataSize] = {0};
for (int i = 0; i < getSize(); ++i){
data[i] = i;
}
for (int i = 0; i < kDataSize; ++i){
data[i] = i;
}
for (int i = 0; i < data_size; ++i){
data[i] = i;
}
return 0;
}
生成主要彙編代碼如下：
.globl _Z7getSizev ; getSize函數，LFB是函數開始，LFE是函數結尾，LBB和LBE是功能塊
.type _Z7getSizev, @function
_Z7getSizev:
.LFB1021:
.cfi_startproc
push rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
mov rbp, rsp
.cfi_def_cfa_register 6
mov eax, 100
pop rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1021:
.size _Z7getSizev, .-_Z7getSizev
mov DWORD PTR [rbp-428], 0
.L5: ; 調用函數的for循環
call _Z7getSizev ; 每個for循環都要調用函數，造成浪費
cmp eax, DWORD PTR [rbp-428] ; 比較函數結果（在函數内被放到了eax）與i的大小
; eax是32位寄存器，ax是eax的低16位，ah是ax的高8位，al是ax的低8位。
setg al ; setg al ; ZF==0 并 SF==0 并 OF==0 時 al=1;
; test會根據操作數運算設定加法器相關标志位，一般用來判斷操作數是否為0
test al, al ; al和al兩個操作數進行按位與操作，al本身不變
je .L4 ; 等于則跳轉
mov eax, DWORD PTR [rbp-428]
cdqe
mov edx, DWORD PTR [rbp-428]
mov DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
add DWORD PTR [rbp-428], 1
jmp .L5
.L4:
mov DWORD PTR [rbp-424], 0
.L7: ; 與2.1節一樣
cmp DWORD PTR [rbp-424], 99
jg .L6 ; 有符号大于則跳轉
mov eax, DWORD PTR [rbp-424]
cdqe
mov edx, DWORD PTR [rbp-424]
mov DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
add DWORD PTR [rbp-424], 1
jmp .L7
.L6:
mov DWORD PTR [rbp-420], 0
.L9:
mov eax, DWORD PTR data_size[rip] ; 比上一個for多了将data_size移到eax這一步
cmp DWORD PTR [rbp-420], eax
jge .L8 ; 有符号大于等于則跳
mov eax, DWORD PTR [rbp-420]
cdqe
mov edx, DWORD PTR [rbp-420]
mov DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx
add DWORD PTR [rbp-420], 1
jmp .L9
總結：
- L7和L9，也即後面兩個循環，一個是const int， 一個是int類型的變量。L7跟前面2.1是完全一樣的，L9由于不是const變量，是以必須要每次都讀取到eax寄存器中，多了一步。
- 如果判斷條件是函數，将會額外進行非常多的操作。
- 對比,2.1和2.2可以發現，将i放在循環内還是循環外，在現代編譯器看來都是一樣的。
參考
- 文中用到的一些連結
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