スタックフレームと機能呼び出し：CPUオーバーヘッドの作成方法

私はコンピューターサイエンスとソフトウェアエンジニアリング、特に低レベルのプログラミングに情熱を傾けています。 ソフトウェアとハ​​ードウェアの相互作用は際限なく魅力的であり、高レベルのアプリケーションでさえデバッグするための貴重な洞察を提供します。 主要な例はスタックメモリです。そのメカニズムを理解することは、効率的なコードと効果的なトラブルシューティングにとって重要です。 この記事では、頻繁な関数が作成するオーバーヘッドを調べることにより、頻度がどのようにインパクトパフォーマンスを呼び出すかを調査します。 CPUレジスタとともに、スタックとヒープのメモリの基本的な理解が想定されています。

スタックフレームの理解

プログラムの実行を検討してください。 OSは、プログラムにスタックを含むメモリを割り当てます。 スレッドあたりの典型的な最大スタックサイズは8 MBです（Linux/Unixで検証可能）。 スタックは、機能パラメーター、ローカル変数、および実行コンテキストを格納します。 HEAPメモリよりも速度の利点は、OSの事前配列に起因します。割り当ては一定のOS呼び出しを必要としません。これにより、より大きくて永続的なデータに使用されるヒープメモリとは異なり、小さな一時的なデータに最適です。

複数の関数呼び出しは、コンテキストの切り替えにつながります。たとえば、

ulimit -s

を呼び出すと、cpuに

#include <stdio.h>

int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main() {
  int a = 1, b = 3;
  int result;

  result = sum(a, b);
  printf("%d\n", result);
  return 0;
}

を要求します

sum stackにレジスタ値を保存します。

返品アドレスを保存します（再開
• ）。
• プログラムカウンター（PC）を更新して、main。
を指​​します
• function引数（レジスタまたはスタック内のいずれか）。sum
• この保存されたデータは、
スタックフレーム

を構成します。 各関数呼び出しは、新しいフレームを作成します。関数の完了は、このプロセスを逆転させます。

パフォーマンスへの影響

関数呼び出しは、本質的にオーバーヘッドを導入します。これは、頻繁な呼び出しや深い再帰を伴うループなどのシナリオで重要になります。 Cは、パフォーマンス批判的なアプリケーション（組み込みシステムやゲーム開発など）でこれを軽減する手法を提供します。 マクロまたは

キーワードは、オーバーヘッドを減らすことができます：

またはinline

両方ともスタックフレームの作成を避けていますが、微妙なエラーを導入できるマクロとは異なり、

static inline int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

インライン関数

が安全のために推奨されます。 最新のコンパイラは、多くの場合、インライン関数を自動的に（

や

#define SUM(a, b) ((a) + (b))

などの最適化フラグを使用して）、特定のコンテキストを除いて、しばしば明示的な使用を不要にします。

アセンブリレベルの試験-O2 アセンブリコードを分析する（-O3または

を使用）スタックフレーム管理が明らかになりました：

、

、およびobjdump命令はスタックフレームを管理し、オーバーヘッドを強調表示します。 最適化が重要な場合gdb

最新のCPUはこのオーバーヘッドを効率的に処理しますが、組み込みシステムや非常に厳しいアプリケーションなどのリソース制約の環境に関連しています。 これらの場合、関数呼び出しのオーバーヘッドを最小化すると、パフォーマンスが大幅に向上し、遅延が減少します。 ただし、コードの読みやすさの優先順位付けは依然として最も重要です。これらの最適化は慎重に適用する必要があります

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