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GCC编译优化指南


前言

  网上关于编译优化的文章很多,但大多零零散散,不成体系,本文试图给出一个完整和清晰的优化思路,同时提供在实践中如何进行优化的详尽参考。但是,在介绍所有优化知识之前首先引用LFS-Book中的一句忠告:“使用编译器优化得到的小幅度性能提升,与它带来的风险相比微不足道”。你还要进行优化吗?

 

  OK, crazy guy! Let's Go!!

  在继续之前,作者还是奉劝各位:如果追求极致的优化,那么它将是一件既耗时又麻烦的事情,你会陷入无止尽的测试、测试、再测试……另外 Gentoo wiki 上有这么一句话:"GCC has well over a hundred individual optimization flags and it would be insane to try and describe them all."所以本文不会涉及全部GCC优化选项。最后作者还是再罗唆一句:优化应当适可而止为好,将精力留出来做一些其它事情会更有意义!

  先决条件

  本文的主要读者是 LFS/Gentoo 的玩家,基本上比较 crazy 的玩家都接触过,如果你之前从未使用过 LFS/Gentoo ,请先按照《Linux From Scratch 6.2 中文版》做一遍 LFS ,然后再来阅读此文将会更有意义。另外,本文是建立在《深入理解软件包的配置、编译与安装》一文基础之上的,在开始阅读本文之前,请先阅读它。

  基本原理

  我们首先从三个方面来看与优化相关的内容:

  从运行时的依赖关系来看,对性能有较大影响的组件有 kernel 和 glibc ,虽然这严格说来这不属于本文的话题,但是经过精心选择、精心配置、精心编译的内核与C库将对提高系统的运行速度起着基础性的作用。

  从被编译的软件包来看,每个软件包的 configure 脚本都提供了许多配置选项,其中有许多选项是与性能息息相关的。比如,对于 Apache-2.2.6 而言,你可以使用 --enable-MODULE=static 将模块静态编译进核心,使用 --disable-MODULE 禁用不需要的模块,使用 --with-mpm=MPM 选择一个高效的多路处理模块,在不需要IPv6的情况下使用 --disable-ipv6 禁用IPv6支持,在不使用线程化的MPM时使用 --disable-threads 禁用线程支持,等等……这部分内容显然不可能在本文中进行完整的讲述,本文只能讲述与优化相关的通用选项。针对特定的软件包,请在编译前使用 configure --help 查看所有选项,并精心选择。

  从编译过程自身来看,将源代码编译为二进制文件是在 Makefile 文件的指导下,由 make 程序调用一条条编译命令完成的。而将源代码编译为二进制文件又需要经过以下四个步骤:预处理(cpp) → 编译(gcc或g++) → 汇编(as) → 连接(ld) ;括号中表示每个阶段所使用的程序,它们分别属于 GCC 和 Binutils 软件包。显然的,优化应当从编译工具自身的选择以及控制编译工具的行为入手。

  大体上编译优化就这"三板斧"(其实是"三脚猫")了,本文接下来的内容将讨论这只猫的后两只脚。

  编译工具的选择

  对于编译工具自身的选择,在假定使用 Binutils 和 GCC 以及 Make 的前提下,没什么好说的,基本上新版本都能带来性能提升,同时比老版本对新硬件的支持更好,所以应当尽量选用新版本。不过追新也可能带来系统的不稳定,这就要针对实际情况进行权衡了。本文以 Binutils-2.18 和 GCC-4.2.2/GCC-4.3.0 以及 Make-3.81 为例进行说明。

  configure 选项

  这里我们只讲解通用的"体系结构选项",由于"特性选项"在每个软件包之间千差万别,所以不可能在此处进行讲解。

  这部分内容很简单,并且其含义也是不言而喻的,下面只列出常用的值:

  i586-pc-linux-gnu

  i686-pc-linux-gnu

  x86_64-pc-linux-gnu

  powerpc-unknown-linux-gnu

  powerpc64-unknown-linux-gnu

  如果你实在不知道应当使用哪一个,那么就干脆不使用这几个选项,让 config.guess 脚本自己去猜吧,反正也挺准的。

  编译选项

  让我们先看看 Makefile 规则中的编译命令通常是怎么写的。

  大多数软件包遵守如下约定俗成的规范:

  #1,首先从源代码生成目标文件(预处理,编译,汇编),"-c"选项表示不执行链接步骤。

  $(CC) $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) example.c   -c   -o example.o

  #2,然后将目标文件连接为最终的结果(连接),"-o"选项用于指定输出文件的名字。

  $(CC) $(LDFLAGS) example.o   -o example

  #有一些软件包一次完成四个步骤:

  $(CC) $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) example.c   -o example

  当然也有少数软件包不遵守这些约定俗成的规范,比如:

  #1,有些在命令行中漏掉应有的Makefile变量(注意:有些遗漏是故意的)

  $(CC) $(CFLAGS) example.c    -c   -o example.o

  $(CC) $(CPPFLAGS) example.c  -c   -o example.o

  $(CC) example.o   -o example

  $(CC) example.c   -o example

  #2,有些在命令行中增加了不必要的Makefile变量

  $(CC) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) example.o   -o example

  $(CC) $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) example.c   -c   -o example.o

  当然还有极个别软件包完全是"胡来":乱用变量(增加不必要的又漏掉了应有的)者有之,不用$(CC)者有之,不一而足.....

  尽管将源代码编译为二进制文件的四个步骤由不同的程序(cpp,gcc/g++,as,ld)完成,但是事实上 cpp, as, ld 都是由 gcc/g++ 进行间接调用的。换句话说,控制了 gcc/g++ 就等于控制了所有四个步骤。从 Makefile 规则中的编译命令可以看出,编译工具的行为全靠 CC/CXX CPPFLAGS CFLAGS/CXXFLAGS LDFLAGS 这几个变量在控制。当然理论上控制编译工具行为的还应当有 AS ASFLAGS ARFLAGS 等变量,但是实践中基本上没有软件包使用它们。

  那么我们如何控制这些变量呢?一种简易的做法是首先设置与这些 Makefile 变量同名的环境变量并将它们 export 为全局,然后运行 configure 脚本,大多数 configure 脚本会使用这同名的环境变量代替 Makefile 中的值。但是少数 configure 脚本并不这样做(比如GCC-3.4.6和Binutils-2.16.1的脚本就不传递LDFLAGS),你必须手动编辑生成的 Makefile 文件,在其中寻找这些变量并修改它们的值,许多源码包在每个子文件夹中都有 Makefile 文件,真是一件很累人的事!

  CC 与 CXX

  这是 C 与 C++ 编译器命令。默认值一般是 "gcc" 与 "g++"。这个变量本来与优化没有关系,但是有些人因为担心软件包不遵守那些约定俗成的规范,害怕自己苦心设置的 CFLAGS/CXXFLAGS/LDFLAGS 之类的变量被忽略了,而索性将原本应当放置在其它变量中的选项一股老儿塞到 CC 或 CXX 中,比如:CC="gcc -march=k8 -O2 -s"。这是一种怪异的用法,本文不提倡这种做法,而是提倡按照变量本来的含义使用变量。

  CPPFLAGS

  这是用于预处理阶段的选项。不过能够用于此变量的选项,看不出有哪个与优化相关。如果你实在想设一个,那就使用下面这两个吧:

  -DNDEBUG

  "NDEBUG"是一个标准的 ANSI 宏,表示不进行调试编译。

  -D_FILE_OFFSET_BITS=64

  大多数包使用这个来提供大文件(>2G)支持。

CFLAGS 与 CXXFLAGS

  CFLAGS 表示用于 C 编译器的选项,CXXFLAGS 表示用于 C++ 编译器的选项。这两个变量实际上涵盖了编译和汇编两个步骤。大多数程序和库在编译时默认的优化级别是"2"(使用"-O2"选项)并且带有调试符号来编译,也就是 CFLAGS="-O2 -g", CXXFLAGS=$CFLAGS 。事实上,"-O2"已经启用绝大多数安全的优化选项了。另一方面,由于大部分选项可以同时用于这两个变量,所以仅在最后讲述只能用于其中一个变量的选项。[提醒]下面所列选项皆为非默认选项,你只要按需添加即可。

  先说说"-O3"在"-O2"基础上增加的几项:

  -finline-functions

  允许编译器选择某些简单的函数在其被调用处展开,比较安全的选项,特别是在CPU二级缓存较大时建议使用。

  -funswitch-loops

  将循环体中不改变值的变量移动到循环体之外。

  -fgcse-after-reload

  为了清除多余的溢出,在重载之后执行一个额外的载入消除步骤。

  另外:

  -fomit-frame-pointer

  对于不需要栈指针的函数就不在寄存器中保存指针,因此可以忽略存储和检索地址的代码,同时对许多函数提供一个额外的寄存器。所有"-O"级别都打开它,但仅在调试器可以不依靠栈指针运行时才有效。在AMD64平台上此选项默认打开,但是在x86平台上则默认关闭。建议显式的设置它。

  -falign-functions=N

  -falign-jumps=N

  -falign-loops=N

  -falign-labels=N

  这四个对齐选项在"-O2"中打开,其中的根据不同的平台N使用不同的默认值。如果你想指定不同于默认值的N,也可以单独指定。比如,对于L2-cache>=1M的cpu而言,指定 -falign-functions=64 可能会获得更好的性能。建议在指定了 -march 的时候不明确指定这里的值。

  调试选项:

  -fprofile-arcs

  在使用这一选项编译程序并运行它以创建包含每个代码块的执行次数的文件后,程序可以再次使用 -fbranch-probabilities 编译,文件中的信息可以用来优化那些经常选取的分支。如果没有这些信息,gcc将猜测哪个分支将被经常运行以进行优化。这类优化信息将会存放在一个以源文件为名字的并以".da"为后缀的文件中。

  全局选项:

  -pipe

  在编译过程的不同阶段之间使用管道而非临时文件进行通信,可以加快编译速度。建议使用。

  目录选项:

  --sysroot=dir

  将dir作为逻辑根目录。比如编译器通常会在 /usr/include 和 /usr/lib 中搜索头文件和库,使用这个选项后将在 dir/usr/include 和 dir/usr/lib 目录中搜索。如果使用这个选项的同时又使用了 -isysroot 选项,则此选项仅作用于库文件的搜索路径,而 -isysroot 选项将作用于头文件的搜索路径。这个选项与优化无关,但是在 CLFS 中有着神奇的作用。

  代码生成选项:

  -fno-bounds-check

  关闭所有对数组访问的边界检查。该选项将提高数组索引的性能,但当超出数组边界时,可能会造成不可接受的行为。

  -freg-struct-return

  如果struct和union足够小就通过寄存器返回,这将提高较小结构的效率。如果不够小,无法容纳在一个寄存器中,将使用内存返回。建议仅在完全使用GCC编译的系统上才使用。

  -fpic

  生成可用于共享库的位置独立代码。所有的内部寻址均通过全局偏移表完成。要确定一个地址,需要将代码自身的内存位置作为表中一项插入。该选项产生可以在共享库中存放并从中加载的目标模块。

  -fstack-check

  为防止程序栈溢出而进行必要的检测,仅在多线程环境中运行时才可能需要它。

  -fvisibility=hidden

  设置默认的ELF镜像中符号的可见性为隐藏。使用这个特性可以非常充分的提高连接和加载共享库的性能,生成更加优化的代码,提供近乎完美的API输出和防止符号碰撞。我们强烈建议你在编译任何共享库的时候使用该选项。参见 -fvisibility-inlines-hidden 选项。

  硬件体系结构相关选项[仅仅针对x86与x86_64]:

  -march=cpu-type

  为特定的cpu-type编译二进制代码(不能在更低级别的cpu上运行)。Intel可以用:pentium2, pentium3(=pentium3m), pentium4(=pentium4m), pentium-m, prescott, nocona, core2(GCC-4.3新增) 。AMD可以用:k6-2(=k6-3), athlon(=athlon-tbird), athlon-xp(=athlon-mp), k8(=opteron=athlon64=athlon-fx)

  -mfpmath=sse

  P3和athlon-xp级别及以上的cpu支持"sse"标量浮点指令。仅建议在P4和K8以上级别的处理器上使用该选项。

本文永久更新链接:http://embeddedlinux.org.cn/emb-linux/system-development/201008/31-861.html



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