register变量在C语言中到底有什么用？

register 的初衷与作用

register 关键字的作用是建议编译器将一个变量存储在 CPU 的寄存器中，而不是在内存中。

为什么要把变量放在寄存器里？

这是由计算机体系结构决定的,CPU 的计算速度远快于内存的访问速度，CPU 访问寄存器几乎是零延迟的，而访问内存则需要通过总线，耗时得多（通常是几十甚至上百个时钟周期）。

对于那些使用频率极高的变量（例如循环计数器），如果能把它们放在寄存器里，程序的运行速度会得到显著提升。

register 变量的特点：

1. 存储位置：建议存储在 CPU 寄存器中。
2. 访问速度：理论上比内存变量快得多。
3. 地址操作：由于寄存器没有内存地址，register 变量不能使用取地址运算符 &。int *p = &reg_var; 是错误的。
4. 生命周期：与普通局部变量一样，是自动变量，在进入其作用域时创建，离开作用域时销毁。
5. 作用域：与普通局部变量一样，是其所在的代码块（通常是函数内部）。

语法与示例

语法非常简单,直接在变量声明前加上 register 关键字即可。

#include <stdio.h>
void use_register_variable() {
    // 建议编译器将变量 i 存储在寄存器中
    register int i = 0;
    register int sum = 0;
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        sum += i;
    }
    printf("Sum is: %d\n", sum);
    // 下面的代码是错误的，因为 register 变量没有地址
    // printf("Address of i is: %p\n", (void *)&i); // 编译错误
}

register 的“建议”本质

这是理解 register 最关键的一点：它只是一个“建议”，而不是一个“命令”。

编译器会根据以下因素,最终决定是否采纳你的建议：

1. 寄存器资源有限：CPU 中的寄存器数量是极其有限的，如果一个函数中你声明了 10 个 register 变量，但 CPU 只有 8 个通用寄存器可用，编译器必然会将一部分 register 变量当作普通的内存变量来处理。
2. 变量生命周期：如果一个 register 变量在它的作用域内没有被频繁使用，编译器会觉得把它放在寄存器里是一种浪费，从而忽略这个建议。
3. 优化策略：现代编译器拥有非常强大的优化能力，编译器的优化器比程序员更清楚如何最大化地利用寄存器资源，它会自动分析代码，找出最“热”的变量（使用频率最高的），并将它们优先放入寄存器，这个过程被称为寄存器分配，程序员手动声明的 register 变量，其优化效果可能还不如编译器自动选择的结果。

在大多数情况下,程序员使用 register 提出的优化建议，编译器要么会采纳并做得更好，要么会直接忽略，程序员很难比编译器做得更出色。

register 的致命缺点：无法取地址

这是一个非常严重的问题,因为它限制了 register 变量的使用场景。

• 无法使用 & 运算符：你不能获取 register 变量的地址。
• 无法作为数组索引：在 C 语言中，数组下标必须是整数类型，但更准确地说，它需要一个可以寻址的表达式。register 变量不能被取地址，所以理论上它不能直接用作数组下标（尽管在实际编译中，很多编译器会放宽这个限制，但这依赖于编译器实现，不属于标准 C 的保证）。
• 无法用于指针：你不能声明一个指向 register 变量的指针。

这个缺点使得 register 变量在很多常用场景中都无法使用，大大削弱了它的实用性。

现代C标准中的 register

由于以上提到的种种原因,register 关键字在现代 C 语言标准中的地位发生了根本性的变化。

C89/C90 标准

register 仍然保留其原始含义，是一个有实际作用的存储类提示。

C99 及以后的标准

从 C99 开始，register 的含义被削弱了，标准规定：

register 声明中的 register 存储类说明符被忽略，尽管 register 关键字仍然保留，但它不再提供任何关于存储的提示，它仍然禁止对变量使用取地址运算符 &。

这意味着什么？

1. 建议无效：在 C99 及以后，register 关键字对编译器没有任何约束力，编译器会完全忽略它，就像它不存在一样。
2. 限制保留：尽管建议无效，但限制依然存在：你仍然不能对一个被声明为 register 的变量使用 & 运算符。

C11 标准

C11 标准进一步明确了 register 的状态：

register 声明符符是 register 存储类说明符。register 存储类说明符提示对象具有自动存储持续时间，并建议将其存储在寄存器中，实现可以自由地忽略这个提示。 ... register 声明符符声明的对象不应有“地址”运算符 & 应用于它。

这再次确认了：register 只是一个可以被忽略的提示，但 & 限制依然有效。

C17 及以后

register 关键字被弃用，虽然标准库中保留了它，但官方已经不推荐在新代码中使用它。

C23 标准（最新）

在最新的 C23 标准中，register 关键字被正式移除。

总结与最佳实践

结论与建议

1. 不要在新代码中使用 register：从 C99 开始，它就失去了实际意义，在 C23 中，它已经被移除，继续使用它不仅无效，还会让你的代码显得过时，并且带来无法取地址的麻烦。
2. 相信编译器：现代编译器的优化能力远超程序员，你只需要编写清晰、可读的代码，然后开启编译器的优化选项（gcc -O2 或 clang -O2），编译器会自动完成最优的寄存器分配工作。
3. 如何真正优化性能：
   • 使用 const 和 static：这些关键字能给编译器提供更多有用的信息，帮助它进行更好的优化。
   • 选择合适的数据类型：使用 int 而不是 long（在 32 位系统上），使用更小的数据类型可以节省寄存器空间。
   • 避免不必要的函数调用：减少函数调用开销，尤其是内联小函数。
   • 编写简洁的代码：让编译器更容易理解你的代码意图，从而生成更高效的机器码。

一句话总结：register 是 C 语言的一个历史遗留特性，在现代编程中已经没有任何实际用途，应该被彻底遗忘。