為什么C中沒有內置交換功能但是匯編中有xchg？

Question

最近我遇到了匯編語言。 x86程序集有一個xchg指令 ，用於交換兩個寄存器的內容。

由於每個C代碼都首先轉換為匯編代碼，如果在標頭stdio.h有一個內置的交換函數，那就太好了。 然后，只要編譯器檢測到交換函數，它就可以在匯編文件中添加xchg指令。

那么為什么這個交換功能沒有在C中實現呢？

Answer 1

C是一種跨平台語言。 裝配是特定於架構的。 並非每個架構都有這樣的指令。 而且，作為高級語言的C不必與機器級指令集和功能相對應，因為它的目的是在“人”語言和機器語言之間架起橋梁，而不是模仿它。 據說，針對此特定體系結構的C編譯器可能具有此交換指令的擴展，或者如果足夠智能則優化交換代碼以使用此指令。

Answer 2

這適用於適合寄存器並位於寄存器中的變量。 它不適用於內存中保存的大型結構或變量（如果在reg X中加載變量A，在reg Y中加上B，並交換它們，則可以跳過交換並直接在Y和B中加載A ）。

話雖如此，沒有什么能阻止編譯器使用交換指令進行編譯：

 int a;
 int b;
 int tmp;
 tmp=a;
 a=b;
 b=tmp;

...如果那些恰好在寄存器中：事實上它不在C中並不意味着編譯器不使用它。

Answer 3

有兩點可以解釋為什么swap()不在C中

1.函數調用語義：
包含swap()函數會在C中打破一個非常基本的設計決策： swap()只能使用pass-by-reference語義（C ++添加到語言中，但C語言中沒有），而不是pass-by -值。

2.可用匯編程序指令的多樣性
除此之外，在任何給定的CPU架構上通常都有相當多的匯編指令，它們完全無法從純C中訪問。這包括各種指令，如中斷處理指令，虛擬存儲空間操作指令，I / O指令，位功能指令（谷歌PPC指令rlwimi是一個特別有力的例子），等等。

在像C這樣的通用語言中包含任何大量的這些都是不可能的。

其中一些對於實現操作系統至關重要，這就是為什么任何操作系統必須至少包含一些少量的匯編代碼。 它們通常使用內聯匯編程序封裝在某些函數中，或者在內核頭文件中定義為預處理程序指令。 其他指令不太重要，或者只對優化很有用，這些指令可以通過優化編譯器生成，並且許多編譯器確實生成它們（整個類的向量函數都屬於這一類）。

面對這種巨大的多樣性，C的設計師不得不將它切割到某個地方。 他們選擇提供任何可表示的簡單操作符，如（+， - ，〜，＆，|，！，&&，||等），但沒有提供任何需要函數調用語法的東西，如swap()你建議的功能。

Answer 4

除了其他正確答案所說的，你的前提的另一部分是錯誤的。

每次源交換變量時，只有一個非常愚蠢的編譯器才會想要實際發出xchg ，無論是否存在內在函數或運算符。 優化編譯器不只是將C音譯成asm，它們通常轉換為程序邏輯的SSA內部表示，並對其進行優化，以便它們可以用盡可能少的指令實現它（或者實際上以最有效的方式實現;使用多個快速指令可能比單個慢速指令更好。

xchg很少比3 mov指令快，並且一個好的編譯器可以簡單地改變它的本地變量< - > CPU寄存器映射，而在許多情況下不發出任何asm指令。 （或者在循環內部，展開通常可以優化遠程交換。）通常你只需要asm中的1或mov指令，而不是全部3.例如，如果只有一個被交換的C變量需要保留在同一個寄存器中，你可以做：

# start:   x in EAX,  y in ECX 
mov    edx, eax
mov    eax, ecx
# end:     y in EAX,  x in EDX

另請參閱為什么XCHG reg，注冊了關於現代英特爾架構的3微操作指令？

另請注意， xchg [mem], reg是原子（隱式lock前綴），因此是一個完整的內存屏障，比3個mov指令慢得多，並且由於內存屏障效應對周圍代碼的影響要大得多。

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如果你確實需要交換寄存器，3 mov是相當不錯的。 通常比xchg reg,reg更好xchg reg,reg因為xchg reg,reg了mov ，代價是更多代碼大小和tmp reg。

編譯器從不使用xchg是有原因的。 如果xchg是一個勝利，編譯器會將其視為窺視孔優化，就像它們在add eax,1或xor eax,eax而不是mov eax,0查找inc eax一樣。 但他們沒有。

（半相關： 用8086匯編語言（16位）交換2個寄存器 ）

Answer 5

盡管xchg是一個非常基本的指令，但這並不意味着C必須具有等效性。 C 有時直接映射到裝配的事實並不十分重要; 標准沒有提到“匯編”（為什么映射到匯編而不是另一種低級語言？）。

您可能還會問：為什么C沒有內置向量指令？ 他們變得很有可能！

還有編譯器的幫助：交換變量是一種非常明顯的模式，因此這種優化應該不難實現。 如果需要，你也有內聯asm 。