使用gcc和glibc来优化程序转载共20页文档Word文档格式.docx

1、if（sizeof（int）=sizeof（long int）|（type=0）sizeof运算总是在编译时进行,因此增加的条件表达式总是在编译时计算.如果long int和int确实相同,那么这个函数就可以被编译器优化.进一步优化,利用limits.h中定义的宏#include limits.h long int add（long int a,void*ptr,int type）#if LONG_MAX！=INT_MAX if（type=0）else#endif return a+*（long int*）ptr；这样,即便在long int不同于int的平台上,该函数也被优化了2.2节省函数

2、调用（Saving Function Calls）很多函数很短小,相对函数执行的时间,函数调用的代价不可忽视.例如标准库中的字符串函数和数学函数.解决办法有两个：使用宏代替函数,或者用inline函数.一般而言,inline函数和宏一样快,但是更安全.但是如果用到alloca和_builtin_constant_p的时候,可能要考虑用优先使用宏了但是,如果函数被声明为extern,inline并不总是有效了.另外,当gcc的编译优化选项没有打开时,gcc不会展开inline函数.如果inline函数是static的,那么编译器总是会展开该函数,不考虑是否真的值得.尤其是当使用-Os（optim

3、ize for space）选项时,static inline函数是否值得使用就是个问题了.编写正确而又安全的宏并不容易.要注意a）正确使用括号括起参数,例如#define mult（a,b）（a*b）/错误#define mult（a,b）（a）*（b）b）宏定义中的大括号引入新的block,这有时侯会导致问题.#define scale（result,a,b,c）int c_=（c）；*（result）=（a）*c_+（b）*c_；下面的代码编译会出现问题：if（.）scale（r,a,b,c）；/多余的分号导致编译错误else else正确的写法应该是：dowhile（0）c）如果参数是

4、表达式并且在宏定义中出现多次,尽量避免重复计算.这也是上面例子中要引入变量c_的原因.但这会限制变量c_的类型.d）宏缺乏返回值2.3编译器内部函数（Compiler Intrinsics）绝大部分C编译器都知道内部函数（Intrinsic functions）.它们是特殊的inline函数,由编译器提供使用.这些函数用外部实现来代替.gcc2.96的内部函数有*_builtin_alloca：动态分配栈上内存dynamiclly allocate memory on the stack*_builtin_ffs：find first bit set*_builtin_abs,_builtin

5、_labs：absolute value of an integer*_builtin_fabs,_builtin_fabsf,_builtin_fabsl absolute value of floating-point vlaue*_builtin_memcpy copy memory region*_builtin_memset set memory region to give value*_builtin_memcmp compare memory region*_builtin_strcmp*_builtin_strcpy*_builtin_strlen*_builtin_sqrt

6、,_builtin_sqrtf,_builtin_sqrtl*_builtin_sin,_builtin_sinf,_builtin_sinl*_builtin_cos,_builtin_cosf,_builtin_cosl*_builtin_div,_builtin_ldiv integer division with rest*_builtin_fmod,_builtin_frem module and remainder of floating-point value不能保证所有内部函数在所有平台上都定义了.关于intrinsic function,有一个很有用的特性：如果参数在编译时是

7、常数,那么可以在编译时计算其值.例如strlen（foo bar）有可能在编译时就计算好.2.4 _builtin_constant_p _builtin_constant_p并不属于intrinsic function,它是一个类似于sizeof的操作符._builtin_constant_p接收一个参数,如果该参数在运行时是固定不变的（constant at runtime）,那么就返回非0值,表示这是一个常量.例如,前面的add函数可以在进一步优化：#define add（a,ptr,type）（_extension_（_buildtin_constant_p（type）?（a）+（ty

8、pe）=0*（int*）（ptr）：*（long int*）（ptr）：add（a,ptr,type）如果第三个参数为constant,那么这个宏将改变add函数的行为；否则就调用真正的add函数.这样尽量在编译时计算,从而提高了效率.2.5 type-generic macro有时侯我们希望宏对不同的参数数据类型,能正确处理不同数据类型并表现相同的行为,可以借助_typeof_例如前面的scale#define tgscale（result,a,b,c）_externsion_ _typeof_（a）+（b）+（c）c_=（c）；这里,c_自动拥有返回值类型,而不是前面固定写的int类型._

9、typeof_（o）定义了与o相同的类型._typeof_的另外一个用途：被ISO C9x用于tgmath中,从而实现一些对任意数据类型（包括复数）都适用的数学函数.错误示例：#define sin（val）（sizeof（_real_（val）sizeof（double）?（sizeof（_real_（val）=sizeof（val）?sinl（val）：csinl（val）（sizeof（_real_（val）=sizeof（double）?sin（val）：csin（val）sinf（val）：csinf（val）上面这个宏的意思是：如果val是虚数（即sizeof（_real_（val

10、）！=sizeof（val）,那么对val调用csinl,csin和csinf如果val是实数,且比double精度高,即sizeof（_real_（val）sizeof（double）,那么对val调用sinl,就long double,否则调用sin或者sinf.sinl：相当于sin（long double）sin：相当于sin（double）sinf：相当于sin（float）csin：对应的复数sin函数但是这个宏是有错误的,由于整个宏是一个表达式,表达式是有静态的类型的,能代表该表达式的数据类型必须有足够的精度来表示各种值,所以这个表达式的最终数据类型就是comple long d

11、ouble,这并不是我们期望的.正确的实现方法是：（_typeof_（val）_tgmres；if（sizeof（_real_（val）sizeof（double）if（sizeof（_real_（val）=sizeof（val）_tgmres=sinl（val）；else_tgmres=csinl（val）；else if（sizeof（_real_（val）=sizeof（double）_tgmres=sin（val）；_tgmres=csin（val）；_tgmres=sinf（val）；_tgmres=csinf（val）；_tgmres；）上面对_tgmres赋值的6个分支中,真正会

12、执行的那个分支是不存在精度损失的；其他分支都会作为deadcode被编译器优化掉3.help the compilerGNU C编译器提供一些扩展来更清晰的描述程序,从而帮助编译器生成代码.3.1不返回的函数（Functions of No Return）大项目一般都至少有一个用于严重错误处理的函数,这个函数体面的结束应用程序.这个函数一般情况下不会被编译器优化,因为编译器不知道它不返回.void fatal（.）_attribute_（_noreturn_）；void fatal（.）/print some message exit（1）；/application codeif（d=0）fa

13、tal（.）；else a=b/d；函数fatal保证不会返回,exit函数也不返回.因此可以在函数原型上加上_attribute_（_noreturn_）.如果没有noreturn的标记,gcc会把上面的代码翻译成下面的形式（伪代码）：1）compare dwith zero 2）if not zero jump to 5）3）call fatal 4）jump to 6）5）compute b/d and assign to a6）.如果有noreturn标记,gcc可以优化代码,省略4）.对应的源代码为a=b/d；3.2常值函数（constant value functions）有些函数

14、的值仅仅取决于传入的参数,这种函数没有副作用,我们称之为pure function.对于相同的参数,这种函数有相同的返回值.举例说明：htons函数要么返回参数（如果是big-endian计算机）,要么交换字节顺序（如果计算机是little-endian）.这个函数没有副作用,是一个pure function.那么下面的代码可以被优化：short int server=.while（1）struct sockaddr_in s_in；memset（&s_in,0,sizeof s_in）；s_in.sin_port=htons（serv）；优化后的结果为：serv=htons（serv）；s_

15、in.sin_port=serv；从而减少循环中执行的代码,节省CPU.但是编译器并无法知道函数是否是pure function.我们必须给pure function显著的标记：extern uint16_t htons（uint16_t _x）_attribute_（_const_）；_const_可以用来标记pure function.3.3 Different Calling Conventions每种平台都支持特定的calling conventions以便由不同语言和编译器写的程序/库能够一起工作.但是,有时侯在某些平台上,编译器支持一种更高效的calling convention.

16、在项目内部使用这种calling convention不会影响系统的其他部分.尤其是在Intel ia32平台上,编译器支持多种不同于标准Unix x86的calling convention,这有时侯会大大提高程序速度.GNU C编译器手册有更详细解释.本节只讨论x86平台.改变函数的calling convention的两个办法：1）命令行选项（command line option）：这种方法不安全,所有函数（包括exported function）都受到影响2）对单个函数设置function attribute.3.3.1 _stdcall_一般情况下,函数参数是通过栈来传递的,因此需

17、要在某个位置调整栈指针.ia32 unix平台上标准的calling convention是让调用方（caller）调整栈指针；因此可以延迟调整操作,一次同时调整多个函数的栈指针.如果函数被标记为_stdcall_,这意味这个函数自己调整栈指针.在ia32平台上,这不算是坏注意,因为ia32体系结构提供一个指令,能同时从函数调用返回并调整栈指针.示例：int _attribute_（_stdcall_）add（int a,int b）return a+b；int foo（int a）return add（a,42）；int bar（void）return foo（100）；上面的代码翻译成汇编

18、大致如下：8 add：9 0000 8B 442408 movl 8（%esp）,%eax 10 0004 03442404 addl 4（%esp）,%eax 11 0008 C20800 ret17 foo：18 0010 6A2A pushl 19 0012 FF 742408 pushl 8（%esp）20 0016 E8E5FFFF call add 20 FF 21 001b C3 ret27 bar：28 0020 6A64 pushl0 29 0022 E8E9FFFF call foo 29 FF 30 0027 83C404 addl,%esp 31 002a C3 ret

19、从上面的例子可以看出,add函数被标记为_stdcall_,foo函数在调用add后直接返回,不需要调整栈指针,因为add函数已经调整来指针（ret指令完成返回和调整指针操作）；而bar函数调用foo函数,调用结束后必须调整栈指针.由此可见,使用_stdcall_是有好处的；但是,现代编译器都已经很智能,能作到一次性为多个函数调用调整栈指针,从而使得生成的代码更少速度更快.此外,以后的发展可能会出现更快的调用方式,所以使用_stdcall_必须非常谨慎.3.3.2 _regparm_ _regparm_只能在ia32平台上使用,它能指明有多少个（最多3个）整数和指针参数是通过寄存器来传递的,而

20、不是通过栈传递.当函数体比较短小,而且参数立刻就能使用时,这种方式效果很显著.假设有下面的例子：int _attribute_（_regparm_（3）return a+b；经过编译优化后,生成的代码时9 0000 01D0 addl%edx,%eax 10 0002 C3 ret这个代码比起3.3.1中add的代码更高效.用寄存器传参数总是很快.3.4 Sibling Calls经常有这样的代码：一个函数最后结束时是在调用另外一个函数.这种情况下生成的伪代码如下：/this is in function f1 ncall function f2 n+1 execute code of f2

21、n+2 get return address from call in f1 n+3 jump back into function f1 n+4 optionally adjust stack pinter from call to f2 n+5 get return address from call to f1 n+6 jump back to caller of f1经过优化,f1在调用f2结束后可以直接返回.3.5使用goto goto有时侯提高效率4.了解库（Knowing the Libraries）4.1 strcpy vs.memcpy strcpy：两个参数src和dest

22、,逐个byte拷贝memcpy：三个参数,src,dest和size,按word拷贝strncpy：3个参数：src,dest和length退出条件：遇到NUL字符或达到拷贝长度逐个检查byte是否为NUL追加NUL字符非gcc内部函数3个参数达到拷贝长度按word检查长度不必追加NUL字符gcc内部函数,特殊优化类似的,mem*和对应的str*函数都存在差别.mem*函数参数多些,一般情况下这不是问题,可以通过寄存器传参数；但是当函数被inline的时候,寄存器可能不够,生成的代码可能稍微复杂一些.建议如下：*尽量别使用strncpy,而使用strcpy*如果要拷贝的字符串很短,用strcp

23、y*如果字符串可能很长,用memcpy 4.2 strcat和strncat关于字符串操作的一个金口玉言（gold rule）是：绝对不要使用strcat和strncat.要使用这两个函数,必须知道长度,并准备足够的空间.定型代码如下：char*buf=.；size_t bufmax=.；if（strlen（buf）+strlen（s）+1 bufmax）buf=（char*）realloc（buf,（bufmax*=2）；strcat（buf,s）；上面的代码中,已经调用了strlen,strcat中会重复执行strlen操作,因此更高效的作法是：size_t slen；size_t buf

24、len；slen=strlen（s）+1；buflen=strlen（buf）；if（buflen+slen bufmax）memcpy（buf+buflen,s,slen）；4.3内存分配malloc和calloc：分配堆内存.alloca分配栈内存.malloc的实现：从内核申请内存,可能会调用sbrk系统调用；在某些系统上如果申请的内存很多,可能会调用mmap来分配内存.malloc的内部实现会用相关的数据结构来管理好申请内存,以便释放或者重新申请.因此调用malloc的代价并不低.alloca的实现相对简单得多,起码编译器能直接把它作为inline来编译,alloca只是简单修改一下栈指针就可以了.而且,调用alloca后不需要调用free函数来释放内存.free函数的代价也是不小的.但是,alloca申请的内存只能用在当前函数中,而且alloca不适合用来申请大量内存,很多平台系统出于安全考虑对栈的大小有限制.malloc的实现和内核相关,能更好的处理大内存申请.alloca总是成功的,因为它只是执行修改栈指针操作而已.因此alloca非常适合在函数内部申请局部使用的内存,不比检查申请释放成功,也不必调用free来释放内存,不仅提高性能还简化来代码.示例如下：int tmpcopy（const int*a,int a）