C语言进阶——likely和unlikely

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1 定义

  1 #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
  2 #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

__builtin_expect是编译器内建函数，原型为long __builtin_expect (long exp, long c)。该函数并不会改变exp的值，但是可以对if-else分支或者if分支结构进行优化。likely代表if分支大概率会发生，unlikely代表if分支大概率不会发生。

Tips: !!是C语言中处理逻辑表达式的一个技巧。因为C语言中没有布尔变量，所以布尔值是用整形来代替的，0为假，非0为真。当x为0时，!(x)为1，!!(x)为0，!!的运算没有什么意义；但当x为非0时（比如100），!(x)为0，!!(x)为1，这样就达到了将非0值（比如100）全部都映射为1的效果。

通过分析发现，unlikely的定义其实是可以不使用!!运算符的。

2 应用场景

总的来说，对代码运行效率有要求的if-else或if分支就应该使用likely或unlikely优化选项。

3 注意事项

• likely和unlikely的概率判断务必准确，不要写反了，否则非但不能提升运行效率，反而会起到反作用。
• 选择表达式时要选择编译阶段编译器无法推测出真假的表达式，否则优化不起作用。
• 编译时需要至少使用-O2选项，否则优化不起作用。

4 作用机理

4.1 理论

使用likely或unlikely为什么会起到提升代码运行效率的优化效果呢？

主要的作用机理有以下2点：

• gcc编译器在编译生成汇编代码时会在编译选项的引导下调整if分支内代码的位置，如果是likely修饰过的就调整到前面，如果是unlikely修饰过的就调整到后面。放到前面的代码可以节省跳转指令带来的时间开销，从而达到提升效率的目的。
• 当代CPU都有ICache和流水线机制，在运行当前这条指令时，ICache会预读取后面的指令，以提升运行效率。但是如果条件分支的结果是跳转到了其他指令，那预取的下一条指令（有的CPU设计是4级流水，也就是4条指令）就没用了，这样就降低了流水线的效率。如果使用likely和unlikely来指导编译器总是将大概率执行的代码放在靠前的位置，就可以大大提高预取值的命中率，从而达到提升效率的目的。

4.2 实践

下面通过一个小栗子来感受一下likely和unlikely的行为。

期间使用的工具有gcc和objdump。涉及到的指令如下：

# 编译生成a.out，注意使用-O2选项，否则不生效
gcc -O2 test.c
# 根据生成的a.out生成反汇编代码
objdump -CS a.out > objdump.txt

Tips: objdump命令是用查看目标文件或者可执行的目标文件的构成的gcc工具

(1）-d：反汇编目标文件中包含的可执行指令。

(2）-S：混合显示源码和汇编代码，前提是在编译目标文件时加上-g，否则相当于-d。

(3）-C：一般针对C++语言，用来更友好地显示符号名。

4.2.1 不使用likely或unlikely选项

  /* 未使用likely或unlikely选项 */
  4 int main(int argc, char *argv[])
  5 {  
  6         int i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
  7 
  8         if (i > 0){
  9                 i--;
 10         }else{
 11                 i++;
 12         }
 13 
 14         return i;
 15 }

! 未使用likely或unlikely的反汇编代码
 45 08048320 
:
 46  8048320:       55                      push   %ebp
 47  8048321:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 48  8048323:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
 49  8048326:       83 ec 10                sub    $0x10,%esp
 50  8048329:       8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax
 51  804832c:       8b 40 04                mov    0x4(%eax),%eax
 52  804832f:       89 04 24                mov    %eax,(%esp)
 53  8048332:       e8 d9 ff ff ff          call   8048310 
 54  8048337:       c9                      leave
 55  8048338:       8d 50 ff                lea    -0x1(%eax),%edx ！注意到if分支内容在前
 56  804833b:       85 c0                   test   %eax,%eax
 57  804833d:       8d 48 01                lea    0x1(%eax),%ecx  ！注意到else分支内容在后
 58  8048340:       0f 4e d1                cmovle %ecx,%edx
 59  8048343:       89 d0                   mov    %edx,%eax
 60  8048345:       c3                      ret

---

4.2.2 使用likely选项

  1 #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
  2 #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
  3 
  4 int main(int argc, char *argv[])
  5 {  
  6         int i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
  7 
  8         if (likely(i > 0)){
  9                 i--;
 10         }else{
 11                 i++;
 12         }
 13 
 14         return i;
 15 }

 ! 使用likely后的反汇编代码
 45 08048320 
:
 46  8048320:       55                      push   %ebp
 47  8048321:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 48  8048323:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
 49  8048326:       83 ec 10                sub    $0x10,%esp
 50  8048329:       8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax
 51  804832c:       8b 40 04                mov    0x4(%eax),%eax
 52  804832f:       89 04 24                mov    %eax,(%esp)
 53  8048332:       e8 d9 ff ff ff          call   8048310 
 54  8048337:       85 c0                   test   %eax,%eax
 55  8048339:       7e 05                   jle    8048340 
 56  804833b:       83 e8 01                sub    $0x1,%eax ！注意到if分支内容在前
 57  804833e:       c9                      leave
 58  804833f:       c3                      ret
 59  8048340:       83 c0 01                add    $0x1,%eax ！注意到else分支内容在后
 60  8048343:       c9                      leave
 61  8048344:       c3                      ret

---

4.2.3 使用unlikely选项

  1 #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
  2 #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
  3 
  4 int main(int argc, char *argv[])
  5 {  
  6         int i = atoi(argv[1]); /* init i with the value that GCC can't optimize */
  7 
  8         if (unlikely(i > 0)){
  9                 i--;
 10         }else{
 11                 i++;
 12  
 13 
 14         return i;
 15 }

 ! 使用unlikely选项的反汇编结果
 45 08048320 
:
 46  8048320:       55                      push   %ebp
 47  8048321:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 48  8048323:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
 49  8048326:       83 ec 10                sub    $0x10,%esp
 50  8048329:       8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax
 51  804832c:       8b 40 04                mov    0x4(%eax),%eax
 52  804832f:       89 04 24                mov    %eax,(%esp)
 53  8048332:       e8 d9 ff ff ff          call   8048310 
 54  8048337:       85 c0                   test   %eax,%eax
 55  8048339:       7f 05                   jg     8048340 
 56  804833b:       83 c0 01                add    $0x1,%eax ！注意到else分支内容被提前了
 57  804833e:       c9                      leave
 58  804833f:       c3                      ret
 59  8048340:       83 e8 01                sub    $0x1,%eax ！注意到if分支内容被后移了
 60  8048343:       c9                      leave
 61  8048344:       c3                      ret

---

<完>