數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是如何裝入CPU寄存器的？
大家好，我是小風(fēng)哥。
我們在之前很多文章的講解中涉及了CPU與寄存器，然后有同學(xué)問了這樣一個問題：既然CPU內(nèi)部的寄存器數(shù)量有限，容量有限，那么我們使用的龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是怎樣裝入寄存器供CPU計算的呢?
這篇文章就為你講解一下這個問題。
內(nèi)存與數(shù)據(jù)
真正有用的程序是離不開數(shù)據(jù)的，比如一個int、一個float等，這些都是非常簡單的數(shù)據(jù)。
當(dāng)然也有非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)通常在內(nèi)存中以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式組織起來，比如你創(chuàng)建了一個數(shù)組、一個鏈表、創(chuàng)建了一棵樹、一張圖，就像這樣：
那么很顯然這些數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，而且這些數(shù)據(jù)在不同的場景下有不同的大小，從數(shù)B、數(shù)KB到數(shù)百GB都有可能，與此同時，CPU內(nèi)部的寄存器數(shù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢?
要回答這一問題，我們需要要認(rèn)識一位農(nóng)夫，因為他不生產(chǎn)數(shù)據(jù)，他只是數(shù)據(jù)的搬運工，這位農(nóng)夫就是。。
搬運數(shù)據(jù)的機(jī)器指令
你沒有看錯，這位農(nóng)夫就是我們之前多次提到的機(jī)器指令。
機(jī)器指令中除了負(fù)責(zé)邏輯運算、執(zhí)行流控制、函數(shù)調(diào)用等指令外，還有一類指令，這類執(zhí)行只負(fù)責(zé)和內(nèi)存打交道，典型的就是精簡指令集架構(gòu)中的Load/Store機(jī)器指令，即內(nèi)存讀寫指令(復(fù)雜指令集沒有單獨的內(nèi)存讀寫指令)。
原來，從宏觀上看的話，存放在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，比如一個數(shù)組，可能會非常龐大，但是具體到代碼，每一個步驟操作的數(shù)據(jù)又會非常簡單，就像這樣：
- int* huge_arr = new int[1 * 1024* 1024 *1024];
我們創(chuàng)建了一個長度為1G的數(shù)組，每個int 4字節(jié)，則這個數(shù)組的大小就是4GB，這顯然是一個很龐大的數(shù)組。
對于這樣的數(shù)據(jù)，我們通常都會怎么使用呢?
最常見的情況可能是遍歷一邊，然后對每個字符進(jìn)行一個簡單操作，這里以計算數(shù)組之和為例：
- long int sum = 0;
- for (int i = 0; i < 1 * 1024* 1024 *1024; i++) {
- sum += huge_arr[i];
- }
雖然整個數(shù)組多達(dá)4GB，但具體到每一步我們一次只能操作一個元素，就像這里的：
- sum += huge_arr[i];
這行代碼翻譯成機(jī)器指令可能是這樣的，我們假設(shè)此時i為100：
- load $r0 100($r2)
- add $r1 $r1 $r0
(注意，實際當(dāng)中編譯器不會傻傻的生成100這樣的常數(shù)，這里代碼僅用來方便講解問題)。
第一行指令中數(shù)組首地址存放在寄存器r2中，100($r2)表示數(shù)組首地址+100，這樣我們就能得到huge_arr[100]的地址了，然后將該地址中的值利用load指令加載到寄存器r0中。
第二行就簡單多了，r1寄存器中保存的是sum的值，該行指令執(zhí)行過后r1中的值就已經(jīng)加上了huge_arr[100]。
現(xiàn)在你應(yīng)該能看出來了吧，雖然我們不能把整個數(shù)組加載到寄存器供CPU計算，但這其實是沒有必要的，因為我們一次只能操作數(shù)組中的一個元素，我們只需要把這一個元素加載到寄存器就足矣了。
對于其它復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是同樣的道理，無論多么復(fù)雜的數(shù)據(jù)，代碼對其一次的操作都是很簡單很微小的，這一微小的操作使用的基本元素都可以通過內(nèi)存讀寫指令加載到寄存器，修改完后再寫回內(nèi)存。
編譯器
現(xiàn)在你應(yīng)該知道了為什么CPU內(nèi)部那么少的寄存器能操作內(nèi)存中龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實際上由于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)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(shù)據(jù)放到寄存器中的時間更長一點，這樣可以減少內(nèi)存讀寫次數(shù)。
在上面的示例中，r2寄存器保存的是huge_arr這個數(shù)組在內(nèi)存中的起始地址，那么這個數(shù)據(jù)應(yīng)該放到寄存器中，因為后續(xù)遍歷到的每一個元素都要用到該地址，這項工作就是編譯器來完成的。
編譯器把那些經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)放到寄存器，剩下的放到內(nèi)存中，然后利用內(nèi)存讀寫指令在寄存器和內(nèi)存之間來回搬運數(shù)據(jù)。
總結(jié)
通過本文不難發(fā)現(xiàn)，實際上我們沒有必要一次性把整個數(shù)據(jù)全部裝到CPU寄存器中，而是用到哪些才裝載哪些。
在最細(xì)粒度的操作中，依賴的操作數(shù)都可以直接加載到內(nèi)存，這通常是由內(nèi)存讀寫機(jī)器指令來完成的。
我是小風(fēng)哥，希望這篇文章對大家理解CPU與寄存器有所幫助。
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