Optimizing Code with GCC
現(xiàn)在的編譯器越來越聰明，功能越來越強(qiáng)，從簡(jiǎn)單的函數(shù)內(nèi)聯(lián)，到復(fù)雜的寄存器分析，一系列代碼革命使程序運(yùn)行得越來越快。大多數(shù)時(shí)候，更快比更小重要，因?yàn)榇疟P空間和內(nèi)存都變得便宜了。但是在嵌入式系統(tǒng)里，更小和更快是一樣重要的，所以把代碼進(jìn)行優(yōu)化是非常有意義的工作。
如果你已經(jīng)知道了怎樣用gcc編譯你的代碼，現(xiàn)在是時(shí)候讓你的代碼更快或者更小了，這也是本章的內(nèi)容。如果學(xué)有所成的話，你甚至可以讓你的下一個(gè)程序既快又小。首先我們快速瀏覽一下編譯器優(yōu)化理論，然后討論GCC的代碼優(yōu)化命令行選項(xiàng)，從一般的、體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的優(yōu)化，到體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的優(yōu)化方法。
雖然本章的示例代碼都是C語言的，但是優(yōu)化選項(xiàng)是通用的、語言無關(guān)的。能把一些優(yōu)化選項(xiàng)適用到所有語言的編譯器上，是一個(gè)編譯器家族最大的優(yōu)勢(shì)，比如GCC編譯器家族就是這樣。
OPTIMIZATION AND DEBUGGING
沒有代碼優(yōu)化的時(shí)候，GCC的一個(gè)重要目標(biāo)是盡量縮短編譯時(shí)間，并保證產(chǎn)生的代碼在調(diào)試環(huán)境下的行為正確。比如，在優(yōu)化過的代碼里，一個(gè)變量如果在循環(huán)里多次計(jì)算，但是值其實(shí)沒有變化，那么編譯器可以把它移到循環(huán)的外面，只計(jì)算一次。雖然這是可行了（當(dāng)然，只要不改變程序的運(yùn)行結(jié)果），但是這使你無法按照源代碼進(jìn)行調(diào)試，因?yàn)橛?jì)算該變量的代碼被優(yōu)化掉了。如果沒有優(yōu)化，你就可以正確的進(jìn)行調(diào)試，檢查變量的值。這就是所謂的“代碼在調(diào)試環(huán)境下的行為正確”。
優(yōu)化能改變代碼的執(zhí)行流程，但不改變執(zhí)行結(jié)果。所以，優(yōu)化一般是編碼并調(diào)試完成之后才進(jìn)行的。其實(shí)優(yōu)化過的代碼也是可以進(jìn)行調(diào)試的，只是需要一些技巧。
編譯器優(yōu)化理論概覽
代碼優(yōu)化是指分析一段編譯后的代碼，然后決定如何改變它，使它運(yùn)行的更快，消耗的資源更少。擁有此功能的編譯器叫做優(yōu)化編譯器（optimizing compilers），最后的輸出代碼叫做優(yōu)化代碼（optimized code）。
優(yōu)化編譯器使用幾種辦法來決定哪些代碼可被優(yōu)化。一種是控制流分析（control flow analysis），即檢查循環(huán)和其他控制語句，比如if-then和case，找出程序可能的執(zhí)行路徑，然后決定哪些執(zhí)行路徑可以被改進(jìn)。另一個(gè)典型的優(yōu)化技術(shù)是檢查數(shù)據(jù)是怎樣使用的，即數(shù)據(jù)流分析（data flow analysis）。此法檢查變量在哪里是怎樣使用的（或沒被使用），然后應(yīng)用一系列的方程式到這些使用模式上面，從而找到優(yōu)化的途徑。
除了本章所述的一些計(jì)算機(jī)所作的改進(jìn)外，優(yōu)化還包括了對(duì)程序所使用的算法的改進(jìn)。典型的比如冒泡排序算法改進(jìn)成快速排序或希爾排序。這類改進(jìn)能使程序的性能有本質(zhì)的提高，比計(jì)算機(jī)能做的優(yōu)化強(qiáng)得多，所以優(yōu)化既是CPU的事情，也是人的事情。
本節(jié)定義一個(gè)基本塊（basic block）指，只有一個(gè)入口和出口，其他地方不包括終止、分支語句的連續(xù)代碼段。在一個(gè)基本塊內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)化稱為局部轉(zhuǎn)化（local transformations），同樣的不是在一個(gè)基本塊內(nèi)的轉(zhuǎn)化稱為全局轉(zhuǎn)化（global transformations）。通常編譯器會(huì)進(jìn)行許多全局或局部的轉(zhuǎn)化，不過局部轉(zhuǎn)化總是先做。
雖然本節(jié)的例子使用C語言，其實(shí)所有GCC編譯器都使用一種中間語言進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化，這種中間語言比各種編程語言更適合計(jì)算機(jī)處理。GCC在產(chǎn)生最終的2進(jìn)制代碼前，會(huì)使用一系列不同的中間語言翻譯你的源程序。不過對(duì)人類來說，C和其他的高級(jí)語言比這些中間語言更好理解。
GCC編譯器還做了很多其他的優(yōu)化，有些非常細(xì)致，甚至需要專業(yè)的編譯器理論知識(shí)。這里列出的優(yōu)化方法只是基礎(chǔ)，并且能用命令行來進(jìn)行選擇。
注意
我所知的最經(jīng)典的編譯器著作，當(dāng)屬“龍書”《Compilers: Principles, Techniques, and Tools》，因其封面有一個(gè)恐龍而得名（Alfred V. Aho, Ravi Sethi, and Jeffrey D. Ullman，Addison Wesley Longman, 1986. ISBN: 0-201-10088-6）。書里的優(yōu)化理論介紹比本文詳細(xì)的多，并且曾是我的啟蒙書籍。
Code Motion
Code motion是一種優(yōu)化技巧，是指在Common subexpression elimination（后有詳述）時(shí)去掉多余的代碼。Code motion并不是去掉所有的subexpression，而是在中間語言形式下改變它們的位置，以便能減少它們出現(xiàn)的次數(shù)。比如，在嵌套的循環(huán)或其他控制結(jié)構(gòu)里，中間變量的計(jì)算次數(shù)可能不是最優(yōu)的，要優(yōu)化這些程序，編譯器把這些計(jì)算語句移到循環(huán)更少的地方，并且保證計(jì)算結(jié)果是一樣的。把計(jì)算移出循環(huán)的方法我們稱為loop-invariant code motion。Code motion還用在另一種Common subexpression elimination里，叫做partial redundancy elimination。
Common Subexpression Elimination
去除多余的計(jì)算是一種標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化手段，因?yàn)樗軠p少程序的指令數(shù)，并得到相同的結(jié)果。比如，如果一個(gè)表達(dá)式的參數(shù)（所引用的變量）值不變，那么就可以只計(jì)算一次結(jié)果，在以后引用該表達(dá)式的地方用結(jié)果值替代就可以了。這些后來引用該表達(dá)式的地方就叫做common subexpressions。比如下例：
Listing 5-1. An Example of a Common Subexpression
#define STEP 3
#define SIZE 100
int i, j, k;
int p[SIZE];
for (i = 0; i < SIZE; ++i) {
??? j = 2 * STEP;
??? k = p[i] * j;
}
for循環(huán)內(nèi)的表達(dá)式j = 2 * STEP就是一個(gè)common subexpression，因?yàn)樗闹悼梢栽谶M(jìn)入循環(huán)之前計(jì)算，而且它的參數(shù)變量STEP（實(shí)際上是一個(gè)宏定義）從不改變。Common subexpression elimination (CSE)把for循環(huán)內(nèi)的重復(fù)計(jì)算去掉，成為如下形式：
j = 2 * STEP;
for (i = 0; i < 100; ++i) {
??? k = p[i] * j;
}
雖然這個(gè)例子簡(jiǎn)單了點(diǎn)，不過能很好的說明問題，CSE去掉了100次對(duì)j的計(jì)算。CSE能去掉不必要的計(jì)算，改善程序性能，并減少了最終文件的大小。
Constant Folding
Constant folding是指去掉在編譯時(shí)就能確定的數(shù)值計(jì)算表達(dá)式。這些表達(dá)式必須只包含常數(shù)值，或者值為常數(shù)的變量。比如，下面的計(jì)算表達(dá)式都可以用一個(gè)賦值語句來替換：
n = 10 * 20 * 400;
?
i = 10;
j = 20;
ij = i * j;
后面的例子里，如果i和j在后續(xù)的程序里沒有用到的話，完全可以去除它們的定義。
Copy Propagation Transformations
這是另一種減少或去除多余計(jì)算的方法，即去除那些只是為了傳遞數(shù)值的變量復(fù)制操作。看下面的代碼：
i = 10;
x[j] = i;
y[MIN] = b;
b = i;
Copy propagation transformation可能會(huì)優(yōu)化成下面的代碼：
i = 10;
x[j] = 10;
y[MIN] = b;
b = 10;
在本例里，copy propagation允許把右值變成常數(shù)，這樣比搜索和復(fù)制變量的值要快得多，并且也能去掉變量給自己賦值的情況。有些情況下，copy propagation并不直接產(chǎn)生優(yōu)化，但是能簡(jiǎn)化代碼，方便其他優(yōu)化，比如code motion和code elimination。
Constant propagation是一種把變量替換成常量的copy propagation transformation優(yōu)化方法。Copy propagation主要指去掉不必要的變量間的相互復(fù)制，而Constant propagation則指去掉不必要的預(yù)定義值到變量的復(fù)制。
Dead Code Elimination
DCE是指把那些實(shí)際上無用的或多余的代碼去掉。你可能想問“為什么我會(huì)寫這樣的代碼呢？”，其實(shí)在一個(gè)很大的、延續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的項(xiàng)目里，這是很容易發(fā)生的。許多DCE都是在中間語言表示的形式下進(jìn)行的，因?yàn)樗窃创a更標(biāo)準(zhǔn)的翻譯，更容易發(fā)現(xiàn)不必要的中間計(jì)算。
Unreachable code elimination是指去除編譯器確定不可能到達(dá)的代碼。比如下面的代碼塊：
if ( i == 10 ) {
??? . . .
} else {
??? . . .
??? if ( i == 10) {
??????? . . .
??? }
}
第2次對(duì)i是否等于10的測(cè)試及處理代碼可以去掉，因?yàn)樗遣豢赡艿竭_(dá)的。UCE也是在中間代碼形式里進(jìn)行的。
If-Conversion
即分支重構(gòu)，比如把大的if-then-elseif-else結(jié)構(gòu)，重構(gòu)成多個(gè)if語句，這樣能簡(jiǎn)化代碼，為以后的優(yōu)化提供方便，并去除某些無用的跳轉(zhuǎn)和分支語句。
Inlining
即把復(fù)雜結(jié)構(gòu)或函數(shù)調(diào)用替換成內(nèi)聯(lián)的代碼以改善性能。Code inlining或loop unrolling都是指把全部或部分循環(huán)展開成一系列的直接指令。Function inlining是指用函數(shù)執(zhí)行的指令替代對(duì)函數(shù)的調(diào)用。一般情況下，inlining能減少代碼復(fù)雜度，提高性能，因?yàn)椴恍枰嘤嗟姆种D(zhuǎn)。它還能給common subexpression elimination和code motion提供優(yōu)化機(jī)會(huì)。這方面最經(jīng)典的例子是Duff’s Device，詳見http://en.wikipedia.org/wiki/Duff's_device。
GCC Optimization Basics
GCC處理源代碼時(shí)，會(huì)把它轉(zhuǎn)化成一種中間形式。這樣做有幾大好處：、
l? 把源代碼變得簡(jiǎn)單、低級(jí)，使優(yōu)化點(diǎn)暴露出來；
l? 使可能很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)更容易生成簡(jiǎn)單易讀的語法分析樹；
l? 使用統(tǒng)一的中間形式使GCC編譯器之間能通用優(yōu)化策略。
傳統(tǒng)上GCC使用的內(nèi)部中間形式叫做Register Transfer Language (RTL)，這是一種很低級(jí)的語言，GCC把任何代碼（無論什么級(jí)別）轉(zhuǎn)化成目標(biāo)代碼之前都先翻譯成這種代碼。對(duì)于像GCC的RTL這種非常低級(jí)的語言進(jìn)行的優(yōu)化也是很“低級(jí)”的，比如寄存器分配、堆棧和數(shù)據(jù)優(yōu)化等。因?yàn)樗艿图?jí)，所以不會(huì)像你想象的那樣能進(jìn)行數(shù)據(jù)類型、數(shù)組和變量引用、控制流改變等“高級(jí)”的優(yōu)化。
GCC 4.0的作者們發(fā)明了一種新的中間形式static single assignment (SSA)，通過對(duì)GCC編譯器產(chǎn)生的語法分析樹進(jìn)行操作而得到，因此得名Tree SSA。4.0及更高的GCC編譯器在生成Tree SSA之前還有2種中間形式，叫做GENERIC和GIMPLE。GENERIC是通過去除源代碼中語言相關(guān)的結(jié)構(gòu)得到的中間形式，GIMPLE則是把GENERIC只讀地址引用進(jìn)行簡(jiǎn)化得到。也許你也看出來了，在到達(dá)RTL等級(jí)之前，有許多的優(yōu)化已經(jīng)在這些相對(duì)高級(jí)點(diǎn)的層面上先做了。
關(guān)于Tree SSA的詳細(xì)信息和優(yōu)化處理的步驟有許多資料可參考，其中一個(gè)是2003年的GCC開發(fā)者總結(jié)，網(wǎng)址為http://www.linux.org.uk/~ajh/gcc/gccsummit-2003-proceedings.pdf。
What’s New in GCC 4.x Optimization
GCC 4.x家族最重要的變化是引入了中間形式Tree SSA，它提供了更多的優(yōu)化空間，和更多的參數(shù)選項(xiàng)，包括-ftree-ccp, -ftree-ch, -ftree-copyrename, -ftree-dce, -ftree-dominator-opts, -ftree-dse, -ftree-fre, -ftree-loop-im, -ftree-loop-ivcanon, -ftree-loop-linear, -ftree-loop-optimize, -ftree-lrs, -ftree-pre, -ftree-sra, -ftree-ter, and -ftree-vectorize，本章稍候會(huì)敘述。由于有了這些重大的改變，原來的通用優(yōu)化等級(jí)-O1、-O2、-O3和-Os都有了變化。除此以外，任何語言的GCC編譯器的優(yōu)化都更普遍了。
同時(shí)由于有IBM的大力支持，GCC 4改進(jìn)了向量化。向量化發(fā)現(xiàn)同一操作應(yīng)用到多個(gè)數(shù)據(jù)的代碼，并改善其性能。GCC 4可以把16個(gè)標(biāo)量操作合成為一個(gè)向量操作。這個(gè)優(yōu)化方法可以在游戲、視頻和多媒體應(yīng)用里大展身手，因?yàn)檫@些程序的指令都是對(duì)數(shù)組向量的重復(fù)操作。
GCC 4還改進(jìn)了數(shù)組邊界檢查和棧的內(nèi)容結(jié)構(gòu)檢查，保護(hù)程序免遭流行的緩沖區(qū)和棧溢出攻擊。
Architecture-Independent Optimizations
GCC的優(yōu)化分為2大類：體系結(jié)構(gòu)無關(guān)和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)。本節(jié)介紹體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的優(yōu)化，包括計(jì)算機(jī)體系無關(guān)，比如x86；處理器類型無關(guān)，比如IA-32處理器；和處理器家族無關(guān)，例如Pentium IV (Xeon)。
GCC的優(yōu)化選項(xiàng)有-O；-On，參數(shù)n是介于0到3之間的整數(shù)；或者-Os。-O0關(guān)閉優(yōu)化。-O和-O1（又叫作第1級(jí)優(yōu)化）等價(jià)，允許編譯器在不大量增加編譯時(shí)間的前提下減少代碼量和執(zhí)行時(shí)間。-O2和-O3比-O1的優(yōu)化等級(jí)更高，-Os會(huì)最小化代碼量。
本節(jié)所有的表格顯示了GCC提供的各種優(yōu)化選項(xiàng)，如果要關(guān)閉相應(yīng)優(yōu)化，只需在-f和優(yōu)化選項(xiàng)名字之間加上no-就行了。比如，要禁止deferred stack pops優(yōu)化，命令行可以這樣寫：
$ gcc myprog.c -o myprog -O1 -fno-defer-pop
注意
-f表示一個(gè)機(jī)器無關(guān)的操作標(biāo)志，即應(yīng)用一個(gè)（大多數(shù)情況下）體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的優(yōu)化操作。這些標(biāo)志選項(xiàng)更改了GCC的默認(rèn)行為，但是不需要硬件的特殊支持。通常你可以指定多個(gè)標(biāo)志。
Level 1 GCC Optimizations
下表列出了-O或-O1時(shí)進(jìn)行的默認(rèn)優(yōu)化選項(xiàng)：
?
| Optimization | Description |
| -fcprop-registers | 試圖減少寄存器復(fù)制操作的次數(shù) |
| -fdefer-pop | Accumulates function arguments on the stack. |
| -fdelayed-branch | Utilizes instruction slots available after delayed branch instructions. |
| -fguess-branch-probability | 利用隨機(jī)預(yù)測(cè)器猜測(cè)分支的可達(dá)性 |
| -fif-conversion | 把有條件跳轉(zhuǎn)變成非分支語句 |
| -fif-conversion2 | 利用條件執(zhí)行（要求CPU支持）進(jìn)行if-conversion優(yōu)化 |
| -floop-optimize | 應(yīng)用幾個(gè)針對(duì)循環(huán)的優(yōu)化 |
| -fmerge-constants | 合并多個(gè)模塊中相等的常量 |
| -fomit-frame-pointer | 省略函數(shù)楨指針的存儲(chǔ)。只能在不影響調(diào)試的系統(tǒng)里激活 |
| -ftree-ccp | 在SSA Trees上進(jìn)行較少的conditional constant propagation（CCP）優(yōu)化（只限GCC 4.x） |
| -ftree-ch | 在SSA Trees上執(zhí)行loop header copying，即去掉一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，并提供code motion優(yōu)化的機(jī)會(huì)（只限GCC 4.x） |
| -ftree-copyrename | 在SSA Trees上執(zhí)行copy renaming，即在復(fù)制位置把內(nèi)部變量的名字改得更接近原始變量的名字（只限GCC 4.x） |
| -ftree-dce | 在SSA Trees上執(zhí)行dead code elimination (DCE)優(yōu)化（只限GCC 4.x） |
| -ftree-dominator-opts | 利用支配樹（dominator tree）遍歷來進(jìn)行一系列優(yōu)化。A dominator tree is a tree where each node’s children are the nodes that it immediately dominates。這些優(yōu)化包括constant/copy propagation，redundancy elimination，range propagation，expression simplification和jump threading（減少跳轉(zhuǎn)語句）（只限GCC 4.x） |
| -ftree-dse | 在SSA Trees上執(zhí)行dead store elimination (DSE)（只限GCC 4.x） |
| -ftree-fre | 在SSA Trees上執(zhí)行full redundancy elimination (FRE)，即認(rèn)為全路徑計(jì)算的表達(dá)式會(huì)導(dǎo)致冗余編譯。這和partial redundancy elimination(PRE)相似，不過比它快，找到的冗余也比較少。（只限GCC 4.x） |
| -ftree-lrs | 在SSA Trees轉(zhuǎn)化成RTL前，轉(zhuǎn)化成一般形式，并執(zhí)行live range splitting。這種方法明確了變量的生存期，為后續(xù)的優(yōu)化提供幫助（只限GCC 4.x） |
| -ftree-sra | 把聚合體替換成標(biāo)量，即把對(duì)結(jié)構(gòu)體的引用替換成標(biāo)量數(shù)值，避免在不必要的時(shí)候把結(jié)構(gòu)體提交到內(nèi)存里（只限GCC 4.x） |
| -ftree-ter | 在SSA Trees轉(zhuǎn)化成RTL前，轉(zhuǎn)化成一般形式，并執(zhí)行temporary expression replacement (TER)。把只使用一次的臨時(shí)表達(dá)式替換成原始定義的表達(dá)式，這樣更容易產(chǎn)生RTL代碼，并使產(chǎn)生的RTL代碼有更多的優(yōu)化機(jī)會(huì)。（只限GCC 4.x） |
第1級(jí)優(yōu)化揉合了代碼大小和速度改進(jìn)2種優(yōu)化措施。比如，-tree-dce去掉了無用代碼，于是減少了代碼量；跳轉(zhuǎn)指令減少使整個(gè)程序的棧使用量減少；而-fcprop-registers是性能優(yōu)化，減少在寄存器間復(fù)制數(shù)據(jù)的次數(shù)。
-fdelayed-branch和-fguess-branch-probability是指令調(diào)度改進(jìn)。如果底層CPU支持指令調(diào)度，這些優(yōu)化標(biāo)志就試圖使CPU等待下一條指令的等待時(shí)間最小化。
-floop-optimize開啟了對(duì)循環(huán)的優(yōu)化，包括把常數(shù)表達(dá)式移出循環(huán)和簡(jiǎn)化推出循環(huán)的條件測(cè)試。在更高的第2級(jí)優(yōu)化里，該標(biāo)志還執(zhí)行strength reduction和循環(huán)展開。
-fomit-frame-pointer是非常有用，原因有2個(gè)：省下了設(shè)置、保存和恢復(fù)楨指針的代碼；有時(shí)候省下了一個(gè)CPU寄存器，可有它用。而負(fù)面影響是：沒有了楨指針，調(diào)試（比如棧跟蹤，尤其是嵌套很深的函數(shù)）變得很難甚至不可能。
-O2優(yōu)化（第2級(jí)優(yōu)化）包括了第1級(jí)的所有優(yōu)化加上下表列出的另一些優(yōu)化。應(yīng)用這些優(yōu)化將延長(zhǎng)編譯時(shí)間，不過你的程序性能將得到顯著的提高。
Level 2 GCC Optimizations
當(dāng)使用-O2優(yōu)化選項(xiàng)時(shí)，下表的優(yōu)化將默認(rèn)進(jìn)行：
| Optimization | Description |
| -falign-functions | 把函數(shù)對(duì)齊到2的指數(shù)字節(jié)邊界 |
| -falign-jumps | 把跳轉(zhuǎn)指令對(duì)齊到2的指數(shù)字節(jié)邊界 |
| -falign-labels | 把標(biāo)簽對(duì)齊到2的指數(shù)字節(jié)邊界 |
| -falign-loops | 把循環(huán)對(duì)齊到2的指數(shù)字節(jié)邊界 |
| -fcaller-saves | 保存并恢復(fù)被函數(shù)調(diào)用改寫的寄存器 |
| -fcrossjumping | 分解等價(jià)代碼來減少代碼量 |
| -fcse-follow-jumps | CSE過程中跳過不會(huì)到達(dá)的目標(biāo) |
| -fcse-skip-blocks | CSE過程中可以跳過條件塊 |
| -fdelete-null-pointer-checks | 去掉不必要的null指針檢查 |
| -fexpensive-optimizations | 執(zhí)行一些“較昂貴”的優(yōu)化 |
| -fforce-mem | 在寄存器里保存內(nèi)存操作數(shù)（只限GCC 4.1） |
| -fgcse | 執(zhí)行一遍全局CSE（Common Subexpression Elimination） |
| -fgcse-lm | 在全局CSE時(shí)把裝載指令移到循環(huán)外面 |
| -fgcse-sm | 在全局CSE時(shí)把保存治療移到循環(huán)外面 |
| -foptimize-sibling-calls | 優(yōu)化有副作用的或尾遞歸的函數(shù)調(diào)用 |
| -fpeephole2 | 執(zhí)行機(jī)器相關(guān)的深度優(yōu)化 |
| -fregmove | Reassigns register numbers for maximum register tying |
| -freorder-blocks | 重新安排函數(shù)的基本塊，以便減少分支和提高代碼局部性 |
| -freorder-functions | 對(duì)于經(jīng)常調(diào)用或極少調(diào)用的函數(shù)，使用特殊的text段重新安排函數(shù)的基本塊，以提高代碼局部性 |
| -frerun-cse-after-loop | 在循環(huán)優(yōu)化之后執(zhí)行一遍CSE |
| -frerun-loop-opt | 執(zhí)行2此循環(huán)優(yōu)化 |
| -fsched-interblock | 在基本塊間調(diào)度指令 |
| -fsched-spec | Schedules speculative execution of nonload instructions |
| -fschedule-insns | 重新安排指令以最小化執(zhí)行延遲 |
| -fschedule-insns2 | 執(zhí)行第2次schedule-insns |
| -fstrength-reduce | 用“廉價(jià)”的指令代替“昂貴”的指令 |
| -fstrict-aliasing | 通知編譯器使用最嚴(yán)格的別名規(guī)則（aliasing rules） |
| -fthread-jumps | 試圖重新安排跳轉(zhuǎn)指令的順序，成為執(zhí)行的順序 |
| -ftree-pre | 在SSA Trees上執(zhí)行partial redundancy elimination (PRE) |
| -funit-at-a-time | 在開始代碼生成之前對(duì)整個(gè)文件進(jìn)行語法分析，以便進(jìn)行額外的優(yōu)化，比如重新安排代碼和申明，去掉從不引用的靜態(tài)變量和函數(shù)等。 |
| -fweb | 把每個(gè)web（代碼的存活范圍）賦給它自己的偽寄存器，方便后續(xù)的優(yōu)化，例如CSE，dead code elimination和循環(huán)優(yōu)化。 |
4個(gè)-falign-選項(xiàng)強(qiáng)制函數(shù)、跳轉(zhuǎn)指令、標(biāo)簽和循環(huán)對(duì)齊到2的指數(shù)邊界，原理是內(nèi)存對(duì)齊的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)有更高的訪問速度。前提是對(duì)齊后的代碼被頻繁調(diào)用，能彌補(bǔ)因?qū)R造成的no-op指令的延遲。
-fcse-follow-jumps和-fcse-skip-blocks正如其名，是在前面介紹的CSE過程中執(zhí)行的優(yōu)化。使用-fcse-follow-jumps，CSE會(huì)跳過不可到達(dá)的目標(biāo)代碼。比如，下面的條件代碼：
if (i < 10) {
??? foo();
} else {
??? bar();
}
通常，即使(i < 10)測(cè)試為false，CSE仍要按照全路徑對(duì)foo()進(jìn)行優(yōu)化。如果你指定了-fcse-follow-jumps，CSE就直接跳到else塊進(jìn)行優(yōu)化（bar()）。
-fcse-skip-blocks使CSE可以跳過條件塊。比如你寫了如下的if語句：
if (i >= 0) {
??? j = foo(i);
}
bar(j);
如果你指定了-fcse-skip-blocks而且i是負(fù)值，那么CSE將直接跳到bar()，越過了原來的if語句。而通常情況下，無論i是什么值，CSE都需要對(duì)if語句進(jìn)行處理。
-fpeephole2執(zhí)行CPU相關(guān)的深度優(yōu)化，把較長(zhǎng)的指令集替換成較短的、簡(jiǎn)練的指令。比如下面的代碼：
a = 2;
for (i = 1; i < 10; ++i)
a += 2;
GCC可能把整個(gè)循環(huán)替換成賦值語句a=20。使用了-fpeephole2，GCC就在標(biāo)準(zhǔn)的深度優(yōu)化（比如C語言里用位操作代替算術(shù)操作）之外還進(jìn)行CPU相關(guān)的優(yōu)化。
-fforce-mem是指在對(duì)指針進(jìn)行運(yùn)算前，把內(nèi)存操作數(shù)和常量復(fù)制到寄存器里，目的是生成內(nèi)存引用的common subexpressions，然后用CSE進(jìn)行優(yōu)化。前面已經(jīng)講過，CSE能去除多余的寄存器裝載指令。
-foptimize-sibling-calls試圖優(yōu)化掉尾遞歸的或同屬調(diào)用（sibling call）的函數(shù)。尾遞歸調(diào)用是指函數(shù)的遞歸調(diào)用出現(xiàn)在最后面。比如下面的代碼：
int inc(int i)
{
??? printf("%d/n" i);
??? if(i < 10)
??????? inc(i + 1);
}
上面定義的inc()函數(shù)，在函數(shù)體最后遞歸調(diào)用了以i+1為參數(shù)的自身，直到i大于等于10。既然尾遞歸調(diào)用的深度是已知的，那么就可以用一個(gè)迭代來消除尾遞歸。-foptimize-sibling-calls就試圖進(jìn)行這種優(yōu)化。同屬調(diào)用（sibling call）也是指函數(shù)調(diào)用出現(xiàn)在尾上下文（tail context，比如return語句）中。
GCC Optimizations for Code Size
選項(xiàng)-Os變得越來越流行，因?yàn)樗说?span style="font-family:Calibri">2級(jí)優(yōu)化里除增加代碼量以外的所有優(yōu)化。-Os還應(yīng)用了一些減少代碼量的額外優(yōu)化。代碼量在這里不是指程序文件在磁盤里占用的存儲(chǔ)空間，而是指程序運(yùn)行時(shí)占用的內(nèi)存空間。注意，-Os會(huì)自動(dòng)屏蔽下面的優(yōu)化選項(xiàng)：
? -falign-functions
? -falign-jumps
? -falign-labels
? -falign-loops
? -fprefetch-loop-arrays
? -freorder-blocks
? -freorder-blocks-and-partition
? -ftree-ch
分別使用-O2和-Os編譯程序，然后對(duì)比它們的性能和內(nèi)存用量是很有意義的。比如，我發(fā)現(xiàn)最新的Linux內(nèi)核下使用-O2和-Os編譯的程序擁有幾乎相同的運(yùn)行時(shí)性能，但是后者的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存用量卻少了15%。當(dāng)然，你的環(huán)境下可能有不同的發(fā)現(xiàn)。
Level 3 GCC Optimizations
指定-O3優(yōu)化選項(xiàng)除了包括第1級(jí)，第2級(jí)的所有優(yōu)化外，還包括：
l? -fgcse-after-reload：在重新裝載時(shí)執(zhí)行一遍額外的load elimination；
l? -finline-functions：把所有的“簡(jiǎn)單”函數(shù)內(nèi)聯(lián)到調(diào)用者中；
l? -funswitch-loops：Moves branches with loop invariant conditions out of loops
注意
如果使用了多個(gè)-O選項(xiàng)，最后的那個(gè)決定一切。所以，命令gcc -O3 foo.c bar.c -O0 -o baz將不執(zhí)行任何優(yōu)化，因?yàn)?span style="font-family:Calibri">-O0出現(xiàn)在最后。
Manual GCC Optimization Flags
除了前面講的幾個(gè)-O選項(xiàng)能進(jìn)行的優(yōu)化外，GCC還有幾個(gè)只能用-f指定的優(yōu)化選項(xiàng)，如下表所示：
| Flag | Description |
| -fbounds-check | 對(duì)訪問數(shù)組的索引進(jìn)行檢查 |
| -fdefault-inline | 把C++成員函數(shù)默認(rèn)為內(nèi)聯(lián) |
| -ffast-math | 設(shè)置： -fno-math-errno -funsafe-math-optimizations -fno-trapping-math 選項(xiàng) |
| -ffinite-math-only | 禁止檢查NaN和無窮大的參數(shù)或結(jié)果 |
| -ffloat-store | 禁止在寄存器里存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)值 |
| -fforce-addr | 在寄存器里存儲(chǔ)內(nèi)存常量 |
| -ffunction-cse | 在寄存器里存儲(chǔ)函數(shù)地址 |
| -finline | 把用inline關(guān)鍵字指定的函數(shù)內(nèi)聯(lián)展開 |
| -finline-functions | 在調(diào)用者里把簡(jiǎn)單的函數(shù)內(nèi)聯(lián) |
| -finline-limit=n | 指定內(nèi)聯(lián)函數(shù)的偽指令數(shù)不超過n |
| -fkeep-inline-functions | 保持內(nèi)聯(lián)函數(shù)仍為可調(diào)用的函數(shù) |
| -fkeep-static-consts | 保留用static const申明但從未引用過的變量 |
| -fmath-errno | 設(shè)置數(shù)學(xué)函數(shù)的errno執(zhí)行時(shí)成為單條指令 |
| -fmerge-all-constants | 把模塊間相同值的變量合并 |
| -ftrapping-math | Emits code that generates user-visible traps for FP operations |
| -ftrapv | 產(chǎn)生代碼捕捉有符號(hào)值的運(yùn)算溢出 |
| -funsafe-math-optimizations | 禁止對(duì)浮點(diǎn)操作進(jìn)行錯(cuò)誤檢查和一致性測(cè)試 |
上面列出的選項(xiàng)很多都有關(guān)浮點(diǎn)操作。在進(jìn)行這些效果不確定的優(yōu)化的同時(shí)，優(yōu)化器會(huì)背離嚴(yán)格的ISO和/或IEEE標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對(duì)數(shù)學(xué)函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算。在浮點(diǎn)運(yùn)算量巨大的應(yīng)用里，這樣做可能有顯著的性能提升，但是代價(jià)就是放棄了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的遵守。在某些情況下，這種放棄是可以接受的，當(dāng)然最終決定權(quán)在你的手里。
注意
不是所有的GCC優(yōu)化選項(xiàng)都可以用這些標(biāo)志來控制。有些優(yōu)化選項(xiàng)是完全自動(dòng)進(jìn)行的，而且只對(duì)代碼進(jìn)行小的修改。只要你使用了-O，就不能禁止這些優(yōu)化。
Processor-Specific Optimizations
傳統(tǒng)上，為目標(biāo)機(jī)器定制的優(yōu)化并不被提倡，因?yàn)樗鼈円蕾囋S多目標(biāo)系統(tǒng)的信息。GCC利用這些信息產(chǎn)生特殊的代碼，使用處理器特有的屬性或避免已知的缺陷。
在寫這本書以前，我通常只用-O2來優(yōu)化我的程序，把剩下的事都交給編譯器。寫完這本書以后，我感覺自己的能力更強(qiáng)了，并給程序增加了一些被證明很有用的編譯選項(xiàng)，即在特定情況下的特定優(yōu)化選項(xiàng)。下面的文字都是指導(dǎo)性的，因?yàn)楫吘鼓惚任腋约旱拇a。
Automating Optimization with Acovea
即使你把本文的內(nèi)容忘的差不多了，你肯定還是知道GCC的選項(xiàng)簡(jiǎn)直有無數(shù)個(gè)。要想給某一個(gè)特定的程序和特定的體系結(jié)構(gòu)選擇最好的GCC選項(xiàng)集，根本就是不可能的。所以很多人都做法是，使用標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化選項(xiàng)，然后在自己知道的其他選項(xiàng)里試驗(yàn)出幾個(gè)有用的。這樣做可能是為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，但是它卻是“可恥”的。
Scott Ladd的Acovea程序（http://www.coyotegulch.com/products/acovea/index.html）提供了一個(gè)有趣而且有用的方法，獲得最好的優(yōu)化選擇，原理是利用進(jìn)化算法（evolutionary algorithm）模擬自然的選擇。聽起來似乎很神奇，讓我們看看它是怎么工作的。Acovea應(yīng)用那些可能改善各種代碼的優(yōu)化算法，檢查結(jié)果，然后保留那些能使代碼性能提高的優(yōu)化。這和自然選擇過程的第一步在概念上非常相似。Acovea然后自動(dòng)把滿意的優(yōu)化算法傳給后續(xù)的選擇過程，這樣一步步應(yīng)用更多的優(yōu)化算法。
GCC專家們?cè)诰W(wǎng)上各處發(fā)表了很多進(jìn)化出“最佳”優(yōu)化的建議。不過，這些建議可能是相互矛盾的，甚至在你的應(yīng)用里不產(chǎn)生效果。Acovea試圖通過反復(fù)的用優(yōu)化選項(xiàng)編譯代碼，并自動(dòng)詳細(xì)的分析性能，來得到最佳的結(jié)果。這種詳盡的分析經(jīng)歷可以使你學(xué)習(xí)GCC優(yōu)化選項(xiàng)中最難懂的部分——選項(xiàng)之間的相互影響。Acovea使你可以自動(dòng)測(cè)試所有的GCC選項(xiàng)組合，幫助你大大加快開發(fā)過程，得到最少或編譯最快的程序版本。
Building Acovea
你可以從http://www.coyotegulch.com/products/acovea/index.html上得到Acovea的最新版本。安裝Acovea前需要2個(gè)額外的庫(kù)：
l? coyotl：包含了Acovea用到的許多函數(shù)，包括一個(gè)定制的隨機(jī)數(shù)生成器，底層的浮點(diǎn)應(yīng)用，一個(gè)通用的命令行分析器，和改良的排序和驗(yàn)證工具；
l? evocosm：提供了開發(fā)進(jìn)化算法的一個(gè)框架。
然后使用簡(jiǎn)單的解壓、配置、安裝流程就行了。最后的可執(zhí)行程序runacovea位于/usr/local/bin（默認(rèn)）下。
注意
Acovea只支持類Unix和Linux的系統(tǒng)，對(duì)Cygwin的支持可能還需要點(diǎn)工作。
Configuring and Running Acovea
Acovea為你的程序進(jìn)行的測(cè)試選項(xiàng)定義在XML格式的配置文件里，配置文件的模板可以在http://www.coyotegulch.com/products/acovea/acovea-config.html得到。GCC的版本對(duì)這些配置文件非常重要，所以首先得到和你GCC版本相符的配置文件；其次是處理器的類型。下面是一個(gè)Acovea配置文件的范例：
<?xml version="1.0"?>
<acovea_config>
<acovea version="5.2.0" />
<description value="gcc 4.1 Opteron (AMD64/x86_64)" />
<quoted_options value="false" />
<prime command="gcc"
flags="-lrt -lm -std=gnu99 -O1 -march=opteron ACOVEA_OPTIONS
-o ACOVEA_OUTPUT ACOVEA_INPUT" />
<baseline description="-O1"
command="gcc"
flags="-lrt -lm -std=gnu99 -O1 -march=opteron -o ACOVEA_OUTPUT
ACOVEA_INPUT" />
<baseline description="-O2"
command="gcc"
flags="-lrt -lm -std=gnu99 -O2 -march=opteron -o ACOVEA_OUTPUT
ACOVEA_INPUT" />
<baseline description="-O3"
command="gcc"
flags="-lrt -lm -std=gnu99 -O3 -march=opteron -o ACOVEA_OUTPUT
ACOVEA_INPUT" />
<baseline description="-O3 -ffast-math"
command="gcc"
flags="-lrt -lm -std=gnu99 -O3 -march=opteron -ffast-math
-o ACOVEA_OUTPUT ACOVEA_INPUT" />
<baseline description="-Os"
command="gcc"
flags="-lrt -lm -std=gnu99 -Os -march=opteron -o ACOVEA_OUTPUT
ACOVEA_INPUT" />
<!-- A list of flags that will be "evolved" by ACOVEA (85 for GCC 4.1!) -->
<flags>
<!-- O1 options (these turn off options implied by -O1) -->
<flag type="simple" value="-fno-merge-constants" />
<flag type="simple" value="-fno-defer-pop" />
<flag type="simple" value="-fno-thread-jumps" />
<flag type="enum"
value="-fno-omit-frame-pointer|-momit-leaf-frame-pointer" />
<flag type="simple" value="-fno-guess-branch-probability" />
<flag type="simple" value="-fno-cprop-registers" />
<flag type="simple" value="-fno-if-conversion" />
. . ..
<!-- O2 options -->
<flag type="simple" value="-fcrossjumping" />
<flag type="simple" value="-foptimize-sibling-calls" />
<flag type="simple" value="-fcse-follow-jumps" />
<flag type="simple" value="-fcse-skip-blocks" />
<flag type="simple" value="-fgcse" />
<flag type="simple" value="-fexpensive-optimizations" />
<flag type="simple" value="-fstrength-reduce" />
<flag type="simple" value="-frerun-cse-after-loop" />
<flag type="simple" value="-frerun-loop-opt" />
…
<!-- O3 options -->
<flag type="simple" value="-fgcse-after-reload" />
<flag type="simple" value="-finline-functions" />
<flag type="simple" value="-funswitch-loops" />
…
<!-- Additional options -->
<flag type="simple" value="-ffloat-store" />
<flag type="simple" value="-fprefetch-loop-arrays" />
<flag type="simple" value="-fno-inline" />
<flag type="simple" value="-fpeel-loops" />
…
<!-- Tuning options that have a numeric value -->
<flag type="tuning" value="-finline-limit" default="600" min="100"
max="10000" step="100" separator="=" />
</flags>
</acovea_config>
注意
Acovea可以用于任何GCC編譯，只要給baseline屬性的command元素賦相應(yīng)的值就行了。
當(dāng)你準(zhǔn)備好了配置文件后，就可以使用runacovea程序進(jìn)行測(cè)試：
runacovea –config config-file-name –input source-file-name
注意
默認(rèn)情況下，Acovea把速度和性能放在首位，不過也可以指定-size選項(xiàng)使runacovea首先優(yōu)化代碼量。
執(zhí)行runacovea能得到很多的輸出，因?yàn)樗褂迷S多優(yōu)化的排列組合進(jìn)行測(cè)試，最終的輸出可能是如下樣子：
Acovea completed its analysis at 2005 Nov 24 08:45:34
Optimistic options:
-fno-defer-pop (2.551)
-fmerge-constants (1.774)
-fcse-follow-jumps (1.725)
-fthread-jumps (1.822)
Pessimistic options:
-fcaller-saves (-1.824)
-funswitch-loops (-1.581)
-funroll-loops (-2.262)
-fbranch-target-load-optimize2 (-2.31)
-fgcse-sm (-1.533)
-ftree-loop-ivcanon (-1.824)
-mfpmath=387 (-2.31)
-mfpmath=sse (-1.581)
Acovea's Best-of-the-Best:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -O1 -march=opteron -fno-merge-constants
-fno-defer-pop -momit-leaf-frame-pointer -fno-if-conversion
-fno-loop-optimize -ftree-ccp -ftree-dce -ftree-dominator-opts
-ftree-dse -ftree-copyrename -ftree-fre -ftree-ch -fmerge-constants
-fcrossjumping -fcse-follow-jumps -fpeephole2 -fschedule-insns2
-fstrict-aliasing -fthread-jumps -fgcse-lm -fsched-interblock -fsched-spec
-freorder-functions -funit-at-a-time -falign-functions -falign-jumps
-falign-loops -falign-labels -ftree-pre -finline-functions -fgcse-after-reload
-fno-inline -fpeel-loops -funswitch-loops -funroll-all-loops -fno-function-cse
-fgcse-las -ftree-vectorize -mno-push-args -mno-align-stringops
-minline-all-stringops -mfpmath=sse,387 -funsafe-math-optimizations
-finline-limit=600 -o /tmp/ACOVEAA7069796 fibonacci_all.c
Acovea's Common Options:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -O1 -march=opteron -fno-merge-constants
-fno-defer-pop -momit-leaf-frame-pointer -fcse-follow-jumps -fthread-jumps
-ftree-pre -o /tmp/ACOVEAAA635117 fibonacci_all.c
-O1:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -O1 -march=opteron -o /tmp/ACOVEA58D74660 fibonacci_all.c
-O2:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -O2 -march=opteron -o /tmp/ACOVEA065F6A10 fibonacci_all.c
-O3:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -O3 -march=opteron -o /tmp/ACOVEA934D7357 fibonacci_all.c
-O3 -ffast-math:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -O3 -march=opteron -ffast-math -o /tmp/ACOVEA408E67B6
fibonacci_all.c
-Os:
gcc -lrt -lm -std=gnu99 -Os -march=opteron -o /tmp/ACOVEAAB2E22A4 fibonacci_all.c
正如你所看到的，Acovea生成了一些最佳的優(yōu)化選項(xiàng)組合列表，還有一些建議的GCC優(yōu)化選項(xiàng)信息。
前面也說過，靠手動(dòng)詳盡的測(cè)試所有GCC優(yōu)化選項(xiàng)并找出它們之間的相互影響，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。Acovea的最大作用就是自動(dòng)幫你來做這件事情。要更多的了解Acovea，請(qǐng)參考http://www.coyotegulch.com/products/acovea。總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Optimizing Code with GCC的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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