0. 写在最前面
本文持续更新地址：https://haoqchen.site/2020/05/08/all-kind-of-loop-1/
第二篇持续更新地址：C++各种循环方式梳理及对比（2）高级循环
整理这两篇东西花了快一个周末，觉得还不错给个赞呗
在学习的过程中发现C++有各种各样的循环方式，比如最基本的:
- for
- while
后面增加的：
- std::for_each
- Range-based for loop (since C++11)
- std::for_each_n
- std::transform
这些循环方式各有特点，调用方式也不同。本文将整理他们的异同，并尝试比较他们的效率。很多情况下，程序80%的时间会被20%的代码消耗，而这20%的代码多为循环。
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1. 结论
将结论写在前面，是因为深入探究这个东西会又长又臭，很多人没那个耐心看下去。但你如果能耐心看下去，相信还是会有更深刻的收获的。
- for和while的汇编都是一样的。
- for中的判断，最好是将函数的值给一个const型变量，像下面这样：
const int size = getSize(); for (int i = 0; i < size; ++i){ } - 对于现代编译器，将i写在循环外和循环内没有区别
2. for与while的性能
2.1 for与while的区别
用《C++ Primer Plus》的话来说，
while循环是没有初始化和更新部分的for循环，它只有测试条件和循环体
。
测试代码：
#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;
}
在命令行输入一下命令
g++ ./objdump.cpp -g # ./objdump.cpp是我的文件，-g输出调试信息
objdump -S a.out -M intel # 使用objdump进行汇编分析，-M指定汇编风格
这种汇编分析的好处是能让C++代码跟汇编代码一一对应，但是看起来不够整体。认真理解了代码对应后，直接将
cpp
文件转成汇编
.s
文件:
得到汇编文件
objdump.s
，其中与for和while循环相关的汇编如下：
.L3:
cmp DWORD PTR [rbp-424], 99 ; 先将i与99对比
jg .L2 ; 不符合直接跳转到下面
mov eax, DWORD PTR [rbp-424] ; 将i移到累加寄存器eax
cdqe ; 该指令将EAX签名扩展为RAX。它是movslq %eax, %rax的简短形式，与AT&T风格的cltq等效
mov edx, DWORD PTR [rbp-424] ; 将i移到edx寄存器，该寄存器总是用来存放整数除法产生的余数
mov DWORD PTR [rbp-416+rax*4], edx ; 将edx移到对应的data[i]地址
add DWORD PTR [rbp-424], 1 ; i + 1
jmp .L3 ; 跳回for循环
.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的汇编都是一样的，性能也就肯定一样啦。
2.2 for中的判断应该怎么写
// A
for (int i = 0; i < vec.size(); ++i){
}
// B
const int size = vec.size();
for (int i = 0; i < size; ++i){
}
for里面有一个判断条件，经常会纠结，到底是A好，还是B好。
测试代码：
#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;
}
生成主要汇编代码如下：
.globl _Z7getSizev ; getSize函数，LFB是函数开始，LFE是函数结尾，LBB和LBE是功能块
.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: ; 调用函数的for循环
call _Z7getSizev ; 每个for循环都要调用函数，造成浪费
cmp eax, DWORD PTR [rbp-428] ; 比较函数结果（在函数内被放到了eax）与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 时 al=1;
; test会根据操作数运算设置加法器相关标志位，一般用来判断操作数是否为0
test al, al ; al和al两个操作数进行按位与操作，al本身不变
je .L4 ; 等于则跳转
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: ; 与2.1节一样
cmp DWORD PTR [rbp-424], 99
jg .L6 ; 有符号大于则跳转
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] ; 比上一个for多了将data_size移到eax这一步
cmp DWORD PTR [rbp-420], eax
jge .L8 ; 有符号大于等于则跳
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
总结：
- L7和L9，也即后面两个循环，一个是const int， 一个是int类型的变量。L7跟前面2.1是完全一样的，L9由于不是const变量，所以必须要每次都读取到eax寄存器中，多了一步。
- 如果判断条件是函数，将会额外进行非常多的操作。
- 对比,2.1和2.2可以发现，将i放在循环内还是循环外，在现代编译器看来都是一样的。
参考
- 文中用到的一些链接
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