數據結構是如何裝入 CPU 寄存器的？

這篇文章就為你講解一下這個(gè)問(wèn)題。

內存與數據

真正有用的程序是離不開(kāi)數據的，比如一個(gè)int、一個(gè)float等，這些都是非常簡(jiǎn)單的數據。當然也有非常復雜的數據，這樣的數據通常在內存中以數據結構的形式組織起來(lái)，比如你創(chuàng )建了一個(gè)數組、一個(gè)鏈表、創(chuàng )建了一棵樹(shù)、一張圖，就像這樣：那么很顯然這些數據存放在內存中，而且這些數據在不同的場(chǎng)景下有不同的大小，從數B、數KB到數百GB都有可能，與此同時(shí)，CPU內部的寄存器數量是固定的，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據結構呢？要回答這一問(wèn)題，我們需要要認識一位農夫，因為他不生產(chǎn)數據，他只是數據的搬運工，這位農夫就是。。

你沒(méi)有看錯，這位農夫就是我們之前多次提到的機器指令。機器指令中除了負責邏輯運算、執行流控制、函數調用等指令外，還有一類(lèi)指令，這類(lèi)執行只負責和內存打交道，典型的就是精簡(jiǎn)指令集架構中的Load/Store機器指令，即內存讀寫(xiě)指令(復雜指令集沒(méi)有單獨的內存讀寫(xiě)指令)。原來(lái)，從宏觀(guān)上看的話(huà)，存放在內存中的數據，比如一個(gè)數組，可能會(huì )非常龐大，但是具體到代碼，每一個(gè)步驟操作的數據又會(huì )非常簡(jiǎn)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

現在你應該知道了為什么CPU內部那么少的寄存器能操作內存中龐大的數據結構，實(shí)際上由于內存中的數據要遠大于CPU寄存器的容量，因此編譯器必須精心挑選，好讓那些經(jīng)常使用的數據放到寄存器中的時(shí)間更長(cháng)一點(diǎn)，這樣可以減少內存讀寫(xiě)次數。在上面的示例中，r2寄存器保存的是huge_arr這個(gè)數組在內存中的起始地址，那么這個(gè)數據應該放到寄存器中，因為后續遍歷到的每一個(gè)元素都要用到該地址，這項工作就是編譯器來(lái)完成的。編譯器把那些經(jīng)常使用的數據放到寄存器，剩下的放到內存中，然后利用內存讀寫(xiě)指令在寄存器和內存之間來(lái)回搬運數據。

通過(guò)本文不難發(fā)現，實(shí)際上我們沒(méi)有必要一次性把整個(gè)數據全部裝到CPU寄存器中，而是用到哪些才裝載哪些。在最細粒度的操作中，依賴(lài)的操作數都可以直接加載到內存，這通常是由內存讀寫(xiě)機器指令來(lái)完成的。