數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是如何裝入 CPU 寄存器的？

這篇文章就為你講解一下這個(gè)問題。

內(nèi)存與數(shù)據(jù)

真正有用的程序是離不開數(shù)據(jù)的，比如一個(gè)int、一個(gè)float等，這些都是非常簡單的數(shù)據(jù)。當(dāng)然也有非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)通常在內(nèi)存中以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式組織起來，比如你創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)組、一個(gè)鏈表、創(chuàng)建了一棵樹、一張圖，就像這樣：那么很顯然這些數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，而且這些數(shù)據(jù)在不同的場(chǎng)景下有不同的大小，從數(shù)B、數(shù)KB到數(shù)百GB都有可能，與此同時(shí)，CPU內(nèi)部的寄存器數(shù)量是固定的，容量也是極其有限的，那么CPU是如何利用有限的資源操作龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢？要回答這一問題，我們需要要認(rèn)識(shí)一位農(nóng)夫，因?yàn)樗簧a(chǎn)數(shù)據(jù)，他只是數(shù)據(jù)的搬運(yùn)工，這位農(nóng)夫就是。。

你沒有看錯(cuò)，這位農(nóng)夫就是我們之前多次提到的機(jī)器指令。機(jī)器指令中除了負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算、執(zhí)行流控制、函數(shù)調(diào)用等指令外，還有一類指令，這類執(zhí)行只負(fù)責(zé)和內(nèi)存打交道，典型的就是精簡指令集架構(gòu)中的Load/Store機(jī)器指令，即內(nèi)存讀寫指令(復(fù)雜指令集沒有單獨(dú)的內(nèi)存讀寫指令)。原來，從宏觀上看的話，存放在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，比如一個(gè)數(shù)組，可能會(huì)非常龐大，但是具體到代碼，每一個(gè)步驟操作的數(shù)據(jù)又會(huì)非常簡單，就像這樣：

int* huge_arr = new int[1 * 1024* 1024 *1024];

long int sum = 0;for (int i = 0; i < 1 * 1024* 1024 *1024; i++) {    sum += huge_arr[i];}

sum += huge_arr[i];

load $r0 100($r2)add $r1 $r1 $r0

現(xiàn)在你應(yīng)該知道了為什么CPU內(nèi)部那么少的寄存器能操作內(nèi)存中龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際上由于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)大于CPU寄存器的容量，因此編譯器必須精心挑選，好讓那些經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)放到寄存器中的時(shí)間更長一點(diǎn)，這樣可以減少內(nèi)存讀寫次數(shù)。在上面的示例中，r2寄存器保存的是huge_arr這個(gè)數(shù)組在內(nèi)存中的起始地址，那么這個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該放到寄存器中，因?yàn)楹罄m(xù)遍歷到的每一個(gè)元素都要用到該地址，這項(xiàng)工作就是編譯器來完成的。編譯器把那些經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)放到寄存器，剩下的放到內(nèi)存中，然后利用內(nèi)存讀寫指令在寄存器和內(nèi)存之間來回搬運(yùn)數(shù)據(jù)。

通過本文不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上我們沒有必要一次性把整個(gè)數(shù)據(jù)全部裝到CPU寄存器中，而是用到哪些才裝載哪些。在最細(xì)粒度的操作中，依賴的操作數(shù)都可以直接加載到內(nèi)存，這通常是由內(nèi)存讀寫機(jī)器指令來完成的。