循环展开优化，它是如何工作的

考虑这个 C 代码：

int sum=0;
for(int i=0;i<5;i++)
    sum+=i;

这可以用（伪）汇编方式翻译（无需循环展开）：

% pseudo-code assembly
ADDI $R10, #0   % sum
ADDI $R11, #0   % i
LOOP:
ADD $R10, $R11
ADDI $R11, #1
BNE $R11, #5 LOOP

所以我的第一个问题是如何使用循环展开来翻译这段代码，在这两种方式之间：

1)

ADDI $R10, #0
ADDI $R10, #0
ADDI $R10, #1
ADDI $R10, #2
ADDI $R10, #3
ADDI $R10, #4

2)

   ADD $R10, #10

编译器是否能够优化代码并直接知道它必须加 10 而无需执行所有求和？

另外，是否有可能用分支指令阻塞管道？我必须这样写吗：

% pseudo-code assembly
ADDI $R10, #0   % sum
ADDI $R11, #0   % i
LOOP:
ADD $R10, $R11
ADDI $R11, #1
NOP   % is this necessary to avoid the pipeline blocking?
NOP
NOP
NOP
BNE $R11, #5 LOOP

为了避免 fetch-decode-exe-mem-write back 周期被分支中断？

这更多的是为了演示编译器是什么有能力，而不是每个编译器都会做的事情。来源：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int i, sum = 0;

    for(i=0; i<5; i++) {
        sum+=i;
    }

    printf("%d\n", sum);
    return 0;
}

请注意printf我已经添加了。如果不使用该变量，编译器将优化整个循环。

使用 -O0 编译（无优化）

gcc -Wall -O0 -S -c lala.c:

.L3:
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
.L2:
    cmpl    $4, -8(%rbp)
    jle .L3

循环以“愚蠢”的方式发生，-8(%rbp)是变量i.

使用 -O1 编译（优化级别 1）

gcc -Wall -O1 -S -c lala.c:

movl    $10, %edx

循环已被完全删除并替换为等效值。

在展开过程中，编译器会查看会发生多少次迭代，并尝试通过执行更少的迭代来展开。例如，循环体可能会重复两次，这将导致分支数量减半。 C 中存在这样的情况：

int i = 0, sum = 0;

sum += i;
i++;

for(; i<5;i++) {
    sum+=i;
    i++;
    sum+=i;
}

请注意，必须从循环中提取一次迭代。因为5是奇数，所以不能简单地通过复制内容来减半工作量。在这种情况下，循环只会进入两次。产生的汇编代码-O0:

    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
    jmp .L2
.L3:
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
.L2:
    cmpl    $4, -8(%rbp)

在 C 中完全展开：

for(i=0; i<5;i++) {
    sum+=i;
    i++;
    sum+=i;
    i++;
    sum+=i;
    i++;
    sum+=i;
    i++;
    sum+=i;
}

这次实际上只进入了一次循环。生产的组件-O0:

.L3:
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    %eax, -4(%rbp)
    addl    $1, -8(%rbp)
.L2:
    cmpl    $4, -8(%rbp)
    jle .L3