Registr procesoru (CPU register)

Příklady z praxe

1. 01

   Sčítání dvou čísel v assembleru x86-64

   Funkce, která sečte dva celočíselné argumenty, na Linuxu dostane operandy podle volací konvence System V v registrech edi a esi. Překladač proto nesahá do paměti vůbec: sečte registry a výsledek nechá v eax, odkud si ho vyzvedne volající. Celá funkce se vejde do dvou instrukcí.

   ; int add(int a, int b)
   add:
       lea eax, [rdi + rsi]   ; a je v edi, b v esi
       ret                    ; návratová hodnota v eax

2. 02

   Nedostatek registrů ve smyčce (spill)

   Smyčka, která současně drží deset živých proměnných, vyčerpá na x86-64 dostupné obecné registry. Kompilátor část z nich odloží na zásobník a při každé iteraci je znovu načítá, takže se do jinak čistě registrové smyčky vloudí přístupy do paměti. Rozdělení smyčky na dvě jednodušší nebo zmenšení počtu živých proměnných bývá rychlejší než jakákoli mikrooptimalizace samotného výpočtu.

   for (int i = 0; i < n; i++) {
       // s1..s8 se vejdou do registrů
       s1 += a[i]; s2 += b[i]; s3 += c[i]; s4 += d[i];
       // další akumulátory už kompilátor odloží na zásobník
   }

Časté omyly

MýtusKdyž v C napíšu register int i, bude proměnná rychlejší.

Ve skutečnostiKlíčové slovo register je od C99 pouhé doporučení a moderní překladače ho při alokaci registrů zcela ignorují. V C++17 bylo dokonce odstraněno jako platný specifikátor úložné třídy.

MýtusRegistry jsou vlastně jen nejrychlejší úroveň cache.

Ve skutečnostiCache je transparentní: hardware do ní data zavádí sám a program o ní neví. Registry naopak program adresuje explicitně jménem v instrukci a nikdy se nezaplní automaticky, přesun dat do nich a z nich řídí kód.

Mýtusx86-64 má šestnáct registrů, takže víc než šestnáct hodnot naráz procesor neudrží.

Ve skutečnostiŠestnáct je počet architektonických jmen. Fyzických registrů má jádro díky přejmenovávání typicky stovky, takže může mít současně rozpracováno mnoho verzí téhož jména z různých instrukcí.

Časté dotazy

Kolik registrů má běžný procesor?

Počet registrů závisí na instrukční sadě, nikoli na výrobci. Architektura x86-64 definuje šestnáct celočíselných registrů obecného použití plus vektorové a systémové registry, AArch64 jednatřicet celočíselných a dvaatřicet vektorových, RISC-V ve variantě RV32I jednatřicet zapisovatelných a jeden pevně nulový. Uvnitř jádra je ale fyzických registrů podstatně víc, protože přejmenovávání registrů mapuje tato jména na větší zásobu, typicky ve stovkách. Programátor v assembleru vidí jen ta architektonická jména.

Jak velký je jeden registr procesoru?

Šířka registru odpovídá šířce architektury: na 64bitovém procesoru má obecný registr 64 bitů, tedy osm bajtů. Vektorové registry jsou širší, u AVX-512 mají 512 bitů, u ARM NEON 128 bitů. Souhrnná kapacita registrové sady je proto řádově stovky bajtů až jednotky kilobajtů, což je zanedbatelné proti cache i operační paměti. Právě tahle nepatrná kapacita je důvodem, proč musí kompilátor pečlivě rozhodovat, které proměnné v registrech udrží.

Můžu registry ovlivnit z vyššího programovacího jazyka?

Přímý přístup k registrům z Pythonu, Javy nebo běžného C neexistuje, přiřazení řeší kompilátor nebo JIT. Ovlivnit se dá nepřímo: menší počet současně živých proměnných, kratší smyčky a vhodné inlinování snižují tlak na registry a omezují odkládání na zásobník. Když je potřeba plná kontrola, používá se vložený assembler, kompilátorové intrinsiky pro SIMD nebo přímo assembler. U výkonnostně kritického kódu bývá jednodušší podívat se na vygenerovaný assembler než hádat, jak se překladač rozhodl.

Proč se obsah registrů ukládá při přepnutí kontextu?

Registry drží celý okamžitý stav výpočtu: mezivýsledky, adresu následující instrukce, ukazatel zásobníku a příznaky. Když plánovač operačního systému odebere procesoru běžící vlákno, musí tento stav uložit do paměti, jinak by se výpočet po návratu nedal korektně obnovit. Uložení a načtení registrové sady je proto jádrem přepnutí kontextu a jeho hlavní cenou. U procesorů se širokými vektorovými registry se stav zvětšuje, takže operační systémy ukládají vektorovou část jen tehdy, když ji vlákno skutečně použilo.

Zdroje

1. Processor register(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. Register allocation(otevře se v novém okně)Wikipedia
3. x64 calling convention(otevře se v novém okně)Microsoft Learn
4. Using the GNU Compiler Collection (GCC)(otevře se v novém okně)GNU Project

Související pojmy

• CacheCache je mezipaměť, do které se ukládá výsledek náročné operace, aby se při dalším stejném dotazu nemusel počítat znovu. Vyměňuje čerstvost dat za rychlost a téměř vždycky přináší otázku, kdy uloženou hodnotu zahodit.
• CPUCPU je hlavní výpočetní část počítače, která načítá a vykonává instrukce programů, řídí tok dat mezi pamětí a periferiemi a provádí aritmetické i logické operace. V praxi rozhoduje o tom, jak rychle běží sekvenční kód, kolik úloh lze obsluhovat paralelně a kde vzniká výpočetní úzké hrdlo.
• Instrukční sadaInstrukční sada je formální soubor strojových instrukcí, registrů, datových typů a pravidel, kterým procesor nebo virtuální stroj rozumí. Tvoří hranici mezi hardwarem a softwarem: kompilátor do ní překládá program a procesor podle ní provádí operace, například aritmetiku, skoky nebo práci s pamětí.
• ACIDACID je sada čtyř vlastností databázové transakce: atomicity, consistency, isolation a durability. Zaručuje, že skupina zápisů proběhne jako jeden celek, neporuší definovaná pravidla databáze, nebude se nebezpečně míchat s jinými transakcemi a po potvrzení přežije pád systému, například při převodu peněz.
• Adaptive IconAdaptivní ikona je formát ikony aplikace na Androidu, který se místo jedné hotové bitmapy skládá z oddělených vrstev: pozadí a popředí. Systém výsledný tvar sám ořízne podle masky výrobce zařízení a může vrstvy animovat nebo přebarvit. Vývojář tak dodá jeden zdroj a launcher z něj vytvoří kruh, čtverec i squircle.
• Adresa v pamětiAdresa v paměti je číslo, kterým procesor jednoznačně označuje konkrétní buňku operační paměti, obvykle jeden bajt. Program pomocí adresy říká, odkud má data načíst nebo kam je zapsat. Adresy tvoří souvislý číselný rozsah, jehož velikost určuje šířka adresní sběrnice a architektura, typicky 32 nebo 64 bitů.
• AI agentAI agent je softwarový systém, který pomocí modelu umělé inteligence vnímá zadaný kontext, plánuje další kroky a samostatně volá nástroje nebo služby k dosažení cíle. Na rozdíl od jednorázového promptu udržuje stav úlohy, vyhodnocuje výsledky akcí a může opakovat postup, dokud nesplní zadání nebo nenarazí na limit.
• AndroidAndroid je operační systém postavený nad linuxovým jádrem, který vyvíjí Google a otevřeně uvolňuje jako projekt AOSP. Android pohání převážnou většinu chytrých telefonů, dále tablety, televize, hodinky i palubní systémy aut. Aplikace se pro něj píší hlavně v Kotlinu nebo Javě a distribuují přes Google Play i alternativní obchody.