当值加倍时，加法与乘法与左移操作[重复]

Posted 2023-02-17

【中文标题】当值加倍时，加法与乘法与左移操作[重复]

【英文标题】：Addition vs multiplication vs shift left operation when double the value [duplicate]

【发布时间】：2019-03-22 06:11:11

【问题描述】：

假设一个数字具有非常大的值，例如 9,046,744,073,709,551,615。

我使用加法、乘法和左移将值加倍。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
   unsigned long long int value = 9046744073709551615;

   cout << (value + value) << endl;
   cout << (value * 2) << endl;  
   cout << (value << 1) << endl;

   return 0;

哪个计算得更快？

【问题讨论】：

为什么不检查编译器的汇编输出并启用优化？您可能会发现每一个都转换为相同的代码。

编译器在微优化方面比人类要好得多。使用在代码上下文中有意义的那个。 （在这种特殊情况下，任何体面的编译器都会在编译时执行每个操作并打印一个常量。）

为什么你认为数字的大小很重要？

value is hardcoded 或read at runtime 时，每种情况下的优化程序集相同。

Steve Maguire，“Writing Solid Code”，1993 年：“多年来，我发现了程序员使用移位来划分不能保证为正的有符号值的错误。我已经追踪了程序员转向错误方向的错误。我什至追踪了程序员通过不小心将表达式如 a=b+c/4 转换为 a=b+c>>2 而引入优先级错误的错误。我不知道不记得曾经追踪过一个错误，其中程序员打算除以 4 并在输入字符 / 和 4" 时出错

【参考方案1】：

简短的回答是，没有一个替代方案更快。当启用编译器优化时，它们会生成相同的代码。

对于在编译时知道值的情况，程序集是这样的：Compiler Explorer link

movabs  rsi, -353255926290448386
call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::_M_insert<unsigned long long>(unsigned long long)

它将一个常量加载到一个寄存器中并调用operator<<()。所有三种备选方案都会产生这种优化的装配体。

对于在运行时读取值的情况，程序集是这样的：Compiler Explorer link

mov     rax, QWORD PTR [rsp+8]
mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
lea     rsi, [rax+rax]
call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::_M_insert<unsigned long long>(unsigned long long)

它使用加法 (rax+rax) 并调用 operator<<()。同样，所有三个备选方案都产生相同的程序集。

【参考方案2】：

我刚刚从godbolt 中挑选了一个编译器。确实完全没有区别。玩转编译器和优化级别。

在-O0 中使用 x86-64_gcc 会产生 3 倍的结果：

    mov     rax, QWORD PTR [rbp-8]
    add     rax, rax
    mov     rsi, rax
    mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(unsigned long long)
    mov     esi, OFFSET FLAT:_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& (*)(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&))