[原创]C++98升级到C++20的复习旅途-从汇编及逆向角度去分析“constexpr“关键字

[简介]
常用网名: 猪头三
出生日期: 1981.XX.XX
QQ: 643439947
个人网站: 80x86汇编小站 https://www.x86asm.org
编程生涯: 2001年~至今[共22年]
职业生涯: 20年
开发语言: C/C++、80x86ASM、PHP、Perl、Objective-C、Object Pascal、C#、Python
开发工具: Visual Studio、Delphi、XCode、Eclipse、C++ Builder
技能种类: 逆向 驱动 磁盘 文件
研发领域: Windows应用软件安全/Windows系统内核安全/Windows系统磁盘数据安全/macOS应用软件安全
项目经历: 磁盘性能优化/文件系统数据恢复/文件信息采集/敏感文件监测跟踪/网络安全检测

[序言]
最近在努力地学习C++20的相关知识点, 给自己订下一个小目标: 把自身已掌握的陈旧C++98, C++03逐步升级到C++20. 以适应现代C++开发的要求. 在学习和复习的过程中, 顺便记录疑惑点.

[新增][constexpr]
C++11引入了constexpr关键字来声明变量, 这种变量可在编译时求值并最终生成一个常量. 由于不会产生运行时开销, 所以编译能执行额外的优化来提高应用程序的性能.

[什么是"编译时", 什么是"运行时"]
要了解"constexpr"的作用前提是, 一定要弄清楚两个概念细节"编译时"和"运行时".

"编译时": 分析和解析源代码文件的过程, 比如语法检查, 词法分析, 优化代码...
"运行时": 程序的运行过程中

理解这个两个概念之后就很好理解下面的代码了.

比如想要一个求平方函数constexpr_fun_Square()在"编译时"就运行起来, 那么就需要在函数前面添加"constexpr"关键字

// 编译时执行函数 （求平方）
constexpr int constexpr_fun_Square(int int_param_X) {
    return  int_param_X * int_param_X ;
}

比如想要一个求平方函数fun_Square()在程序启动之后才能执行, 那么就按照正常的函数声明即可.

// 运行时执行函数 （求平方）
int fun_Square(int int_param_X) {
    return  int_param_X * int_param_X ;
}

[在代码中适当的引用"编译时"代码, 为什么会提升应用程序的性能呢?]
要理解这个核心, 可以通过逆向分析, 观察"编译时"代码和"运行时"代码的差异.

1> 首先启动相关的C/C++的开发工具(我使用的是 C++ Builder 12), 创建一个C++命令控制台程序, 把如下代码整合到新建的项目中, 然后编译运行.

#include <iostream>
#include <locale>

// 编译时执行函数 （求平方）
constexpr int constexpr_fun_Square(int int_param_X) {
    return  int_param_X * int_param_X ;
}


// 运行时执行函数 （求平方）
int fun_Square(int int_param_X) {
    return  int_param_X * int_param_X ;
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    // 1> 把编译时结果赋值给编译时变量
    constexpr int int_Square_A = constexpr_fun_Square(5) ;

    // 2> 把运行时结果赋值给运行时变量
    int int_Square_C = fun_Square(5);

    // 3> 把编译时结果赋值给运行时变量
    int int_Square_B = constexpr_fun_Square(5) ;

}

2> 对"constexpr int int_Square_A = constexpr_fun_Square(5) ;"行下断点之后, 以Debug模式启动运行
3> 当程序被断下来之后, 就切换到汇编指令模式, 得到如下汇编代码.

File1.cpp.15: int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
005814F0 55               push ebp
005814F1 89E5             mov ebp,esp
005814F3 83EC28           sub esp,$28
005814F6 8B450C           mov eax,[ebp+$0c]
005814F9 8B4D08           mov ecx,[ebp+$08]
005814FC BA05000000       mov edx,$00000005
00581501 C745FC00000000   mov [ebp-$04],$00000000
File1.cpp.18: constexpr int int_Square_A = constexpr_fun_Square(5) ;
00581508 C745F819000000   mov [ebp-$08],$00000019 // 1> "编译时"得到了优化
File1.cpp.21: int int_Square_C = fun_Square(5);
0058150F C7042405000000   mov [esp],$00000005
00581516 8945EC           mov [ebp-$14],eax
00581519 894DE8           mov [ebp-$18],ecx
0058151C 8955E4           mov [ebp-$1c],edx
0058151F E8ACFFFFFF       call fun_Square(int)  // 2> 正常调用, 因为fun_Square()函数是运行时执行
00581524 B905000000       mov ecx,$00000005
00581529 8945F4           mov [ebp-$0c],eax
File1.cpp.24: int int_Square_B = constexpr_fun_Square(5) ;
0058152C C7042405000000   mov [esp],$00000005
00581533 894DE0           mov [ebp-$20],ecx
00581536 E80D000000       call constexpr_fun_Square(int) // 3> "编译时"没有优化
0058153B 8945F0           mov [ebp-$10],eax
File1.cpp.26: }

通过观察如上的汇编代码, 惊奇的发现 "constexpr int int_Square_A = constexpr_fun_Square(5) ;" 这段代码并没有调用constexpr_fun_Square()函数, 而是直接赋值, 效果相当于如下写法:

constexpr int int_Square_A = constexpr_fun_Square(5) ;
等价于
const int int_Square_A = 25;
且等价于汇编代码
00581508 C745F819000000   mov [ebp-$08],$00000019

这意味着什么？意味着这个程序运行的时候少了调用constexpr_fun_Square(5) 的环节, 那继续意味着什么？ 就是大大提升了程序的运行效率.

[不要开心, 下面一个重要的细节: 3> 把编译时结果赋值给运行时变量]
当程序如果运行到如下代码, 又会发生什么情况？:

// 3> 把编译时结果赋值给运行时变量
int int_Square_B = constexpr_fun_Square(5) ;

找到并观察对应的汇编代码

0058152C C7042405000000   mov [esp],$00000005
00581533 894DE0           mov [ebp-$20],ecx
00581536 E80D000000       call constexpr_fun_Square(int)

结果发现, 不是想象中那么美好,  程序调用(call) constexpr_fun_Square(int)这个函数, 没有提升运行效率，为什么会这样呢？这是因为int_Square_B变量并不是constexpr变量, 因此编译器没有针对它进行"编译时"优化.

[结尾]
这是一个全新的角度来分析和理解constexpr关键字的作用, 只有真正通过逆向观察, 才能有更深地体会, 更容易理解书本上的文字描述. 希望大家喜欢这篇文章, 如果有对文章有更多的疑问, 可以留言, 我会一一认真回复的.

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