在 Linux（或更准确地说，在 GCC/Clang 编译器）中，提供了一些内置函数（Built-in Functions），用于高效执行底层操作（如位运算、原子操作、CPU 指令优化等）。这些函数通常直接映射到特定的 CPU 指令，性能极高。

1. 位操作相关内置函数

(1) 计算 1的个数（Population Count）

int __builtin_popcount(unsigned int x);      // 计算 32 位整数的 1 的个数
int __builtin_popcountll(unsigned long long x); // 计算 64 位整数的 1 的个数

示例：

#include <iostream>
int main() 
{
    int num = 0b1101; // 二进制 1101（十进制 13）
    std::cout << __builtin_popcount(num); // 输出 3
    return 0;
}

底层指令：POPCNT（现代 CPU 支持）

(2) 计算前导零（Leading Zeros）

int __builtin_clz(unsigned int x);      // 计算 32 位整数的前导零个数
int __builtin_clzll(unsigned long long x); // 计算 64 位整数的前导零个数

示例：

int num = 0b00010000; // 二进制 00010000（前导零 3）
std::cout << __builtin_clz(num); // 输出 27（32 - 5 = 27）

注意：

  • 如果 x = 0，结果是未定义的（UB）。
  • 在 32 位系统中，__builtin_clz(1)返回 31（因为 1的二进制是 000...0001）。

(3) 计算末尾零（Trailing Zeros）

int __builtin_ctz(unsigned int x);      // 计算 32 位整数的末尾零个数
int __builtin_ctzll(unsigned long long x); // 计算 64 位整数的末尾零个数

示例：

int num = 0b1000; // 二进制 1000（末尾零 3）
std::cout << __builtin_ctz(num); // 输出 3

注意：

  • 如果 x = 0，结果是未定义的（UB）。

(4) 位反转（Bit Reversal）

unsigned int __builtin_bitreverse32(unsigned int x);
unsigned long long __builtin_bitreverse64(unsigned long long x);

示例：

int num = 0b1101; // 二进制 1101
std::cout << __builtin_bitreverse32(num); // 输出 0xB0000000（取决于位数）

2. 原子操作（Atomic Operations）

用于无锁编程（Lock-Free Programming），避免数据竞争。

(1) 原子加法

int __atomic_add_fetch(int* ptr, int val, int memorder);

示例：

int x = 5;
__atomic_add_fetch(&x, 3, __ATOMIC_SEQ_CST); // x += 3（原子操作）
std::cout << x; // 输出 8

(2) 原子比较交换（CAS）

bool __atomic_compare_exchange(int* ptr, int* expected, int desired, bool weak, int success_memorder, int failure_memorder);

示例：

int x = 10;
int expected = 10;
bool success = __atomic_compare_exchange(&x, &expected, 20, false, __ATOMIC_SEQ_CST, __ATOMIC_SEQ_CST);
if (success) std::cout << "CAS succeeded!";

3. 内存屏障（Memory Barrier）

用于控制 CPU 和编译器的内存访问顺序。

__atomic_thread_fence(int memorder);  // 线程间内存屏障
__atomic_signal_fence(int memorder);  // 信号处理内存屏障

常用内存序（Memory Order）：

  • __ATOMIC_RELAXED（最弱约束）
  • __ATOMIC_SEQ_CST（最强约束，默认）

4. 数学优化

(1) 快速平方根倒数（近似计算）

float __builtin_sqrtf(float x);      // 快速平方根（单精度）
double __builtin_sqrt(double x);     // 快速平方根（双精度）

(2) 快速乘加运算（FMA）

float __builtin_fmaf(float a, float b, float c);  // 计算 a * b + c（单精度）
double __builtin_fma(double a, double b, double c); // 计算 a * b + c（双精度）

5. 其他实用内置函数

(1) 预测分支（Branch Prediction）

if (__builtin_expect(condition, expected_value)) { ... }

示例：

if (__builtin_expect(x > 0, 1)) 
{ // 提示编译器 x > 0 更可能成立
    // 优化分支预测
}

(2) 返回当前函数地址

void* __builtin_return_address(unsigned int level);

示例：

void* caller_address = __builtin_return_address(0); // 获取调用者的地址

总结

功能 内置函数 说明
计算 1的个数 __builtin_popcount 高效统计二进制 1的数量
计算前导零 __builtin_clz 计算高位连续零的个数
计算末尾零 __builtin_ctz 计算低位连续零的个数
原子操作 __atomic_add_fetch 无锁编程（线程安全）
内存屏障 __atomic_thread_fence 控制内存访问顺序
分支预测优化 __builtin_expect 提升条件分支性能

这些内置函数在 Linux 内核、高性能计算、编译器优化 中广泛使用，能显著提升代码效率。