高效的C編程之：C編譯器及其優(yōu)化

本章將幫助讀者在ARM處理器上編寫高效的C代碼。本章涉及的一些技術(shù)不僅適用于ARM處理器，也適用于其他RISC處理器。本章首先從ARM編譯器及其優(yōu)化入手，講解C編譯器在優(yōu)化代碼時(shí)所碰到的一些問題。理解這些問題，將有助于編寫出在提高執(zhí)行速度和減少代碼尺寸方面更高效的C源代碼。

本章假定讀者熟悉C語言，并且有一些匯編語言編程方面的知識。有關(guān)ARM編程的詳細(xì)信息，請參閱本書的相關(guān)章節(jié)。

14.1  C編譯器及其優(yōu)化

本章主要講解C編譯器在代碼優(yōu)化時(shí)遇到的一些問題。要編寫高效的C語言源代碼，必須了解C編譯器對什么形式的代碼有所改動(dòng)，編譯器涉及的處理器結(jié)構(gòu)的限制，以及一些特殊的C編譯器的限制。

14.1.1  為編譯器選擇處理器結(jié)構(gòu)

在編譯C源文件時(shí)，必須為編譯器指定正確的處理器類型。這樣可以使編譯的代碼最大限度地利用處理器的硬件結(jié)構(gòu)，如對半字加載（Halfword Load）、存儲指令（Store Instructions）和指令調(diào)度（Instruction Scheduling）的支持。所以編譯程序時(shí)，應(yīng)該盡量準(zhǔn)確地告訴編譯器該代碼是運(yùn)行在什么類型的處理器上。有些處理器類型編譯器是不能直接支持，如SA-1100，這時(shí)可以使用與該類型處理器為同一指令集的基本處理器，比如對于SA-100，可以使用StrongARM。

選擇處理器類型可以使用--cpu name編譯選項(xiàng)。該選項(xiàng)生成用于特定ARM處理器或體系結(jié)構(gòu)的代碼。

如果name是處理器名稱。

·  輸入名稱必須和ARM數(shù)據(jù)表中所示嚴(yán)格一致，例如ARM7TDMI。該選項(xiàng)不接受通配符字符。有效值是任何 ARM6 或更高版本的 ARM 處理器。

·  選擇處理器操作會(huì)選擇適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)、浮點(diǎn)單元 (FPU) 以及存儲結(jié)構(gòu)。

·  某些--cpu選擇暗含--fpu選擇。例如，當(dāng)使用--arm選項(xiàng)編譯時(shí)，--cpu ARM1136JF-S暗含--fpu vfpv2。隱式FPU只覆蓋命令行上出現(xiàn)在--cpu選項(xiàng)前面的顯式--fpu選項(xiàng)。如果沒有指定--fpu選項(xiàng)和--cpu選項(xiàng)，則使用--fpu softvfp。

14.1.2  調(diào)試選項(xiàng)

如果在編譯C源程序時(shí)，設(shè)置了調(diào)試選項(xiàng)，這將很大程度地影響最終代碼的大小和執(zhí)行效率。因?yàn)閹д{(diào)試信息的代碼映像，為了能夠在調(diào)試程序時(shí)正確地顯示變量或設(shè)置斷點(diǎn)，包含很多冗余的代碼和數(shù)據(jù)。所以如果想最大限度地提供程序執(zhí)行效率、減少代碼尺寸，就要在編譯源文件時(shí)，去除編譯器的調(diào)試選項(xiàng)。

以下選項(xiàng)指定調(diào)試表生成方法。

·  -g （--debug）：該選項(xiàng)啟用生成當(dāng)前編譯的調(diào)試表。無論是否使用-g選項(xiàng)，編譯器都生成的代碼是相同的。惟一差別是調(diào)試表的存在與否。編譯器是否對代碼進(jìn)行優(yōu)化是由-O選項(xiàng)指定調(diào)的。默認(rèn)情況下，使用-g選項(xiàng)等價(jià)于使用：-g -dwarf2 --debug_macros。

·  --no_debug：該選項(xiàng)禁止生成當(dāng)前編譯的調(diào)試表。這是默認(rèn)選項(xiàng)。

·  --no_debug_macros：當(dāng)與-g一起使用時(shí)，該選項(xiàng)禁止生成預(yù)處理程序宏定義的調(diào)試表?xiàng)l目（Entry）。這會(huì)減小調(diào)試映像的大小。-gt-p是-gtp的同義字。

--debug_macros 當(dāng)與 -g 一起使用時(shí)，該選項(xiàng)啟用生成預(yù)處理程序宏定義的調(diào)試表?xiàng)l目。這是默認(rèn)選項(xiàng)，會(huì)增加調(diào)試映像的大小。一些調(diào)試程序忽略預(yù)處理程序條目。

14.1.3  優(yōu)化選項(xiàng)

使用-Onum選擇編譯器的優(yōu)化級別。優(yōu)化級別分別為。

·  -O0：除一些簡單的代碼編號之外，關(guān)閉所有優(yōu)化。使用該編譯選項(xiàng)可以提供最直接的優(yōu)化信息。

·  -O1：關(guān)閉嚴(yán)重影響調(diào)試效果的優(yōu)化功能。使用該編譯選項(xiàng)，編譯器會(huì)移除程序中未使用到的內(nèi)聯(lián)函數(shù)和靜態(tài)函數(shù)。如果與 --debug 一起使用，該選項(xiàng)可以在較好的代碼密度下，給出最佳調(diào)試視圖。

·  -O2：生成充分優(yōu)化代碼。如果與 --debug 一起使用，調(diào)試效果可能不令人滿意，因?yàn)槟繕?biāo)代碼到源代碼的映射可能因?yàn)榇a優(yōu)化而發(fā)生變化。

如果不生成調(diào)試表，這是默認(rèn)優(yōu)化級別。

·  -O3：最高優(yōu)化級別。使用該優(yōu)化級別，使生成的代碼在時(shí)間和空間上尋求平衡。該選項(xiàng)常和-Ospace和-Otime配合使用。

·  -O3 –Otime：使用該選項(xiàng)編譯的代碼比-O2 –Otime選項(xiàng)編譯的代碼，在執(zhí)行速度上要快，但占用的空間也更大。

·  -O3 -Ospace：產(chǎn)生的代碼比使用-O2 -Ospace選項(xiàng)產(chǎn)生的代碼尺寸小，但執(zhí)行效率可能會(huì)差。

如果要使編譯的代碼更側(cè)重于代碼的尺寸或執(zhí)行效率（兩者往往不可兼得），可以使用下面的編譯選項(xiàng)。

·  -Ospace：指示編譯程序執(zhí)行優(yōu)化，以延長執(zhí)行時(shí)間為代價(jià)減小映像大小。例如，由外部函數(shù)調(diào)用代替內(nèi)聯(lián)函數(shù)。如果代碼大小比性能更重要，則使用該選項(xiàng)。這是編譯器的默認(rèn)設(shè)置。

·  -Otime：指示編譯程序執(zhí)行優(yōu)化，以增大映像大小為代價(jià)縮短執(zhí)行時(shí)間。如果執(zhí)行時(shí)間比代碼大小更重要，則使用該選項(xiàng)。例如，它編譯：

while (expression) body;

為：

if (expression) {

       do body;

       while (expression);

}

如果既不指定-Otime也不指定-Ospace，則編譯器默認(rèn)使用-Ospace。可使用-Otime編譯代碼中對時(shí)間要求嚴(yán)格的部分，使用-Ospace編譯其余部分。但不能在同一編譯程序調(diào)用中同時(shí)指定-Otime和-Ospace。

14.1.4  AAPCS選項(xiàng)

ARM結(jié)構(gòu)過程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)AAPCS（Procedure Call Standard for the ARM Architecture）是ARM體系結(jié)構(gòu)二進(jìn)制接口ABI（Application Binary Interface for the ARM Architecture【BSABI】）標(biāo)準(zhǔn)的一部分。使用該標(biāo)準(zhǔn)可以很方便的執(zhí)行C和匯編語言的相互調(diào)用。

編譯程序時(shí)，使用--apcs選項(xiàng)可以指定所使用得AAPCS標(biāo)準(zhǔn)的版本。如果沒有指定--apcs或--cpu選項(xiàng)，則編譯器使用下面默認(rèn)編譯選項(xiàng)。

--apcs /noswst/nointer/noropi/norwpi --cpu ARM7TDMI --fpu softvfp

有關(guān)AAPCS的詳細(xì)信息，請參加ARM相關(guān)文檔。

14.1.5  編譯選項(xiàng)對代碼生成影響示例

本節(jié)舉例說明編譯器的優(yōu)化選項(xiàng)如何影響代碼生成。

1．使用-O0選項(xiàng)

下面的例子顯示了即使使用-O0編譯選項(xiàng)對代碼進(jìn)行編譯時(shí)，有些冗余代碼還是會(huì)被編譯器自動(dòng)清除。

int f(int *p)

{

     return (*p = = *p);

}

使用armcc  -c  -O0對源程序進(jìn)行編譯，生成的匯編代碼如下所示。

f

   MOV r1, r0

   MOV r0, #1

   MOV pc, lr

通過上面的例子可以看到，編譯出的最終代碼中沒有加載（Load）指針P的值，變量*p被編譯器優(yōu)化掉了。如果不想讓編譯器對變量*p做優(yōu)化，可以使用“volatile”對變量進(jìn)行聲明。下面的例子，顯示了將變量聲明為“volatile”類型后，使用armcc編譯（-O2的優(yōu)化級別）后的結(jié)果。

f

  LDR   r1,[r0]

  LDR   r0,[r0]

  CMP   r1,r0

  MOVNE r0,#0

  MOVEQ r0,#1

  MOV   pc,lr

另外，編譯的代碼中的“MOV r1, r0”并沒有實(shí)際意義，只是為了方便調(diào)試程序時(shí)設(shè)置斷點(diǎn)使用。

2．冗余代碼的清除

下面例子顯示了一段急待優(yōu)化的代碼。

int dummy()

{

   int a=10, b=20;

   int c;

   c=a+b;

   return 0;

}

當(dāng)使用arm –c –O0進(jìn)行編譯時(shí)，產(chǎn)生的匯編碼如下所示。

    dummy:

    0000807C E3A0100A  MOV r1,#0xa

>>> REDUNDANT#3 int a=10,b=20;

    00008080 E3A02014  MOV r2,#0x14

>>> REDUNDANT#5 c=a+b;

    00008084 E0813002  ADD r3,r1,r2

>>> REDUNDANT#6 return 0;

    00008088 E3A00000  MOV r0,#0

>>> REDUNDANT#7 }

    0000808C E12FFF1E  BX r14

從上面的匯編輸出可以看到，編譯器并沒有對程序中的冗余變量做任何工作。但上面這段代碼在編譯時(shí)，編譯器會(huì)給出警告，警告信息如下所示。

Warning :  #550-D: variable "c" was set but never used

Redundant.c line 4   int c;

但如果將編譯器的優(yōu)化級別提高，如使用arm –c –O1命令，則編譯器輸出的匯編代碼如下所示。

    dummy:

    0000807C E3A00000  MOV      r0,#0

>>> REDUNDANT#7 }

    00008080 E12FFF1E  BX       r14

從上面的例子看出，當(dāng)優(yōu)化級別提高到-O1時(shí)，程序中的冗余變量就會(huì)被清除。

3．指令重排

當(dāng)指定編譯器對程序代碼進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，編譯器會(huì)對程序中排列不合理的匯編指令序列進(jìn)行重排（只有在-O1及其以上的優(yōu)化級別中才有），重排的目的是為了減少指令互鎖（interload）。所謂互鎖就是指如果一條指令需要前一條指令的執(zhí)行結(jié)果，而這時(shí)結(jié)果還沒有出來，那么處理器就會(huì)等待。這被稱為流水線冒險(xiǎn)（pipeline hazard），也被稱為流水線互鎖。

下面例子顯示了對同一程序使用代碼重排和不使用代碼重排所產(chǎn)生的匯編碼的區(qū)別。÷

程序的源代碼如下所示。

int f(int *p, int x) 

         { return *p + x * 3; }

使用-O0選項(xiàng)對代碼進(jìn)行編譯（無代碼重排），產(chǎn)生的結(jié)果如下所示。

ADD r1,r1,r1,LSL #1

LDR r0,[r0,#0]

ADD r0,r0,r1 ; ARM9上產(chǎn)生互鎖

MOV pc,lr

使用-O1選項(xiàng)對代碼進(jìn)行編譯（存在代碼重排），產(chǎn)生的結(jié)果如下所示。

ADD r1,r1,r1,LSL #1

ADD r0,r0,r1

MOV pc,lr

指令重排發(fā)生在寄存器定位和代碼產(chǎn)生階段。代碼重排只對ARM9及其以后的處理器版本產(chǎn)生作用。當(dāng)使用代碼重排時(shí)，代碼的執(zhí)行速度平均提供4％。可以使用-zpno_optimize_
scheduling編譯選項(xiàng)關(guān)閉代碼重排。

4．內(nèi)嵌函數(shù)

通常情況下，如果不指定編譯選項(xiàng)，編譯器會(huì)將一些代碼量小且調(diào)用次數(shù)少的函數(shù)內(nèi)嵌進(jìn)調(diào)用函數(shù)中。如果某段子程序在其他模塊中沒有被調(diào)用，請使用Static關(guān)鍵字將其標(biāo)識。

編譯選項(xiàng)的--autoinline和--no_autoinline可以作為內(nèi)嵌函數(shù)的使能開關(guān)。--no_autoinline選項(xiàng)為-O0和-O1選項(xiàng)的默認(rèn)選項(xiàng)，但如果指定-O2或-O3的優(yōu)化選項(xiàng)，編譯器將默認(rèn)使用--autoinline選項(xiàng)。

有關(guān)內(nèi)嵌函數(shù)的詳細(xì)信息，請參見本書內(nèi)嵌函數(shù)一節(jié)。

下面的例子顯示了同一段程序，使用內(nèi)嵌功能和不使用內(nèi)嵌功能編譯出的不同結(jié)果。

要編譯的源文件如下。

int bar(int a)

{

      a=a+5;

      return a;

}

int foo(int i)

{

      i=bar(i);

      i=i-2;

      i=bar(i);

      i++;

      return i;

}

下面的匯編程序?yàn)椴皇褂脙?nèi)嵌功能時(shí)編譯出的結(jié)果。

bar

     ADD      r0,r0,#5

     MOV      pc,lr

foo

     STR      lr,[sp,#-4]!

     BL       bar

     SUB      r0,r0,#2

     BL       bar

     ADD      r0,r0,#1

     LDR      pc,[sp],#4

下面的匯編碼是使用內(nèi)嵌功能時(shí)編譯出的結(jié)果。

foo

     ADD      r0,r0,#5

     SUB      r0,r0,#2

     ADD      r0,r0,#5

     ADD      r0,r0,#1

     MOV      pc,lr

從上面的例子可以看出在使用內(nèi)嵌功能時(shí)，函數(shù)間的相互調(diào)用減少了數(shù)據(jù)的壓棧和出棧，節(jié)省了程序的執(zhí)行時(shí)間，但如果內(nèi)嵌函數(shù)被調(diào)用多次會(huì)造成空間的浪費(fèi)。