《深入理解計算機系統》第5章的5.11.1介紹了寄存器溢出（register spilling）問題，請結合教材給出的簡單實例，闡釋爲什麼會出現寄存器溢出問題？寄存器溢出問題爲什麼會影響性能？但實際上我們在進行高級語言編程的時候根本無需考慮這個問題，爲什麼？試簡單闡釋系統內部誰、如何解決寄存器溢出問題。
一、 寄存器溢出的原理
首先我們回顧一下什麼是寄存器。寄存器是CPU內部的元件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存器之間的數據傳送非常快。
我們已經知道，通過引入臨時的累積變量，消除不必要的存儲器引用，可以提高程序性能。“消除不必要的存儲器引用”可以提高程序性能，其原因即在於寄存器的讀寫速度遠優於存儲器。
在上者的基礎上，通過將一組合並運算分割成多個部分，最後合併結果，即引入多個累計變量提高程序並行性，可以進一步提高程序性能。比如：
通常我們這麼寫代碼：
void sumAnswer(long int *sum) {
int i=0;
for(i=0; i<100000; i++)
*sum+=num[i];
}
但我們可以這樣改進：
void sumAnswer(long int *sum) {
int i;
long int acc0=0;
long int acc1=0;
long int acc2=0;
for(i=0 ;i<10000; i+=3) {
acc0=acc0+num[i];
acc1=acc0+num[i];
acc2=acc0+num[i];
}
*sum=(acc0+acc1+acc2);
}
我們可以看到，區別於通常的for(i=0; i<10000; i++)，這裏每次i加三，在循環內部通過三個臨時的累積變量存儲結果。這三個累計變量直接存儲到三個寄存器中，而不是每次循環都要讀寫存儲器，因此執行效率大大提升。這一點我們之後會進行驗證。
在前面分析的基礎上，我們又知道，IA32指令集只有少量寄存器可用於存放累積的值。會不會出現累計變量過多、寄存器“不夠用”的情況呢？因此，我們通過如下程序驗證：
#include <stdio.h>
int num[10006];//注意這裏爲了防止越界，我多定義了一些空間
void sumAnswer(long int *sum) {
int i;
long int acc0=0;
long int acc1=0;
long int acc2=0;
long int acc3=0;
long int acc4=0;
long int acc5=0;
for(i=0 ;i<10000; i+=6) {//循環展開六次，使用六個累積變量
acc0=acc0+num[i];
acc1=acc0+num[i];
acc2=acc0+num[i];
acc3=acc0+num[i];
acc4=acc0+num[i];
acc5=acc0+num[i];
}
*sum=(acc0+acc1+acc2+acc3+acc4+acc5);
}
int main() {
int i;
srand((unsigned int)time(NULL));
for(i=0; i<10010; i++)
num[i]=rand()%1000;//這裏我隨機生成一個數組
long int sum;
sumAnswer(&sum);//通過指針，直接改變值
return 0;
}
在命令行輸入如下指令：
gcc -g spilling.c -o spilling
gdb ./spilling
list
disass sumAnswer
查看sumAnswer函數的反彙編代碼，觀察到結果爲：
我們可以看到，每次相加後的結果分別保存到-0x8(%ebp)、-0xc(%ebp)、-0x10(%ebp)、-0x14(%ebp)、-0x1c(%ebp)，這是棧幀中的連續存儲空間，而不是寄存器，表明編譯器並沒有允許寄存器存儲臨時變量！
在64位系統下查看反彙編代碼（上圖）、將加法更改爲乘法、將臨時變量的定義不放在一起依舊如此。
那麼，在什麼時候編譯器允許寄存器存儲臨時變量呢？
答案是：需要開啓O2優化選項！
gcc -g -O2 spilling.c -o spilling
編譯上面的代碼，得到反彙編代碼爲：
可以清楚看到，每次相加的結果存儲到了寄存器edx中！
我們得到這樣一個結論：默認的編譯選項不提供“消除不必要的存儲器引用”的機制，所有局部變量按定義順序存儲在棧中，每次讀寫時需要從存儲器中訪問並寫回存儲器。
接下來，我們來分析寄存器溢出與溢出的情況。我用三個累積變量：
得到反彙編代碼：
分析得到：
此時沒有出現寄存器溢出問題。我們改爲使用6個累積變量：
得到反彙編代碼：
分析得到：
因此，我們得到結論：IA32指令集提供4個寄存器存放累積的值，它們分別是：%ecx %edx %edi %esi。當我們的並行度超過了可用的寄存器數量時，就會發生寄存器溢出。
二、 寄存器溢出對性能的影響
原理上：發生寄存器溢出時，編譯器會將結果溢出到棧中。程序需要在內存中讀寫這些變量，會抵消使用多個值並行累積所獲得的好處，並行積累的優勢就可能消失。
編程驗證：測試並行度爲自0到8的程序運行時間。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
long int num[100020];
void sum0(long int *r) {
int i=0;
for(i=0; i<100000; i++)
*r+=num[i];
}
void sum1(long int *r) {
int i=0;
long int acc;
for(i=0; i<100000; i++)
acc+=num[i];
*r=acc;
}
void sum2(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1;
for(i=0; i<100000; i+=2) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
}
*r=acc0+acc1;
}
void sum3(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1,acc2;
for(i=0; i<100000; i+=3) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
acc2+=num[i+2];
}
*r=acc0+acc1+acc2;
}
void sum4(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1,acc2,acc3;
for(i=0; i<100000; i+=4) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
acc2+=num[i+2];
acc3+=num[i+3];
}
*r=acc0+acc1+acc2+acc3;
}
void sum5(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1,acc2,acc3,acc4;
for(i=0; i<100000; i+=5) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
acc2+=num[i+2];
acc3+=num[i+3];
acc4+=num[i+4];
}
*r=acc0+acc1+acc2+acc3+acc4;
}
void sum6(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1,acc2,acc3,acc4,acc5;
for(i=0; i<100000; i+=6) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
acc2+=num[i+2];
acc3+=num[i+3];
acc4+=num[i+4];
acc5+=num[i+5];
}
*r=acc0+acc1+acc2+acc3+acc4+acc5;
}
void sum7(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1,acc2,acc3,acc4,acc5,acc6;
for(i=0; i<100000; i+=6) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
acc2+=num[i+2];
acc3+=num[i+3];
acc4+=num[i+4];
acc5+=num[i+5];
acc6+=num[i+6];
}
*r=acc0+acc1+acc2+acc3+acc4+acc5+acc6;
}
void sum8(long int *r) {
int i=0;
long int acc0,acc1,acc2,acc3,acc4,acc5,acc6,acc7;
for(i=0; i<100000; i+=6) {
acc0+=num[i];
acc1+=num[i+1];
acc2+=num[i+2];
acc3+=num[i+3];
acc4+=num[i+4];
acc5+=num[i+5];
acc6+=num[i+6];
acc7+=num[i+7];
}
*r=acc0+acc1+acc2+acc3+acc4+acc5+acc6,acc7;
}
int main() {
clock_t start,finish,during;
srand((unsigned int)time(NULL));
long int result;
for(int i=0; i<100020; i++)
num[i]=(long int)rand()%10000;
start=clock();
sum0(&result);
finish=clock();
during=finish-start;
start=clock();
sum1(&result);
finish=clock();
printf("k=0:1\n");
printf("k=1:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum2(&result);
finish=clock();
printf("k=2:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum3(&result);
finish=clock();
printf("k=3:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum4(&result);
finish=clock();
printf("k=4:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum5(&result);
finish=clock();
printf("k=5:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum6(&result);
finish=clock();
printf("k=6:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum7(&result);
finish=clock();
printf("k=7:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
start=clock();
sum8(&result);
finish=clock();
printf("k=8:%f\n",(float)(during/(finish-start)));
}
運行結果爲：
在一定的誤差範圍內，程序給出了優化效率隨並行度的變化趨勢，與理論分析是吻合的。下圖爲教材中給出的結果：
三、 寄存器溢出問題的處理
1. 開啓不同的優化選項，結果不同，如gcc與dev C++的默認優化選項不支持該優化方案，因此不存在寄存器溢出問題。
2. 開發者本身無需考慮寄存器的分配問題。在開啓了相應優化選項的前提下，編譯器會自動爲相應臨時變量分配寄存器，若寄存器溢出，相應數據存儲到棧中，並通過register location技術確保其地址不會丟失，以保證該數據在需要時可被再次讀寫。
比如說，我在寫如上代碼時，並沒有考慮寄存器有無溢出，這是編譯器考慮的問題。寄存器溢出只會影響性能，但不會導致錯誤結果。
3. 開發者應適當利用此原理，編寫高效代碼。