Linux操作系統(tǒng)中GCC的應(yīng)用介紹(下)

代碼優(yōu)化

代碼優(yōu)化指的是編譯器通過分析源代碼，找出其中尚未達(dá)到最優(yōu)的部分，然后對(duì)其重新進(jìn)行組合，目的是改善程序的執(zhí)行性能。GCC提供的代碼優(yōu)化功能非常強(qiáng)大，它通過編譯選項(xiàng)-On來控制優(yōu)化代碼的生成，其中n是一個(gè)代表優(yōu)化級(jí)別的整數(shù)。對(duì)于不同版本的GCC來講，n的取值范圍及其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化效果可能并不完全相同，比較典型的范圍是從0變化到2或3。

編譯時(shí)使用選項(xiàng)-O可以告訴 GCC同時(shí)減小代碼的長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間，其效果等價(jià)于-O1。在這一級(jí)別上能夠進(jìn)行的優(yōu)化類型雖然取決于目標(biāo)處理器，但一般都會(huì)包括線程跳轉(zhuǎn)（Thread Jump）和延遲退棧（Deferred Stack Pops）兩種優(yōu)化。選項(xiàng)-O2告訴GCC除了完成所有-O1級(jí)別的優(yōu)化之外，同時(shí)還要進(jìn)行一些額外的調(diào)整工作，如處理器指令調(diào)度等。選項(xiàng)-O3則除了完成所有-O2級(jí)別的優(yōu)化之外，還包括循環(huán)展開和其它一些與處理器特性相關(guān)的優(yōu)化工作。通常來說，數(shù)字越大優(yōu)化的等級(jí)越高，同時(shí)也就意味著程序的運(yùn)行速度越快。許多Linux程序員都喜歡使用-O2選項(xiàng)，因?yàn)樗趦?yōu)化長(zhǎng)度、編譯時(shí)間和代碼大小之間，取得了一個(gè)比較理想的平衡點(diǎn)。

下面通過具體實(shí)例來感受一下GCC的代碼優(yōu)化功能，所用程序如清單3所示。

清單3：optimize.c

#include 
int main(void)
{
double counter;
double result;
double temp;
for (counter = 0;
counter < 2000.0 * 2000.0 * 2000.0 / 20.0 + 2020;
counter += (5 - 1) / 4) {
temp = counter / 1979;
result = counter;
}
printf("Result is %lf\n", result);
return 0;
}

首先不加任何優(yōu)化選項(xiàng)進(jìn)行編譯：

# gcc -Wall optimize.c -o optimize

借助Linux提供的time命令，可以大致統(tǒng)計(jì)出該程序在運(yùn)行時(shí)所需要的時(shí)間：

# time ./optimize
Result is 400002019.000000
real 0m14.942s
user 0m14.940s
sys 0m0.000s

接下去使用優(yōu)化選項(xiàng)來對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化處理：

# gcc -Wall -O optimize.c -o optimize

在同樣的條件下再次測(cè)試一下運(yùn)行時(shí)間：

# time ./optimize
Result is 400002019.000000
real 0m3.256s
user 0m3.240s
sys 0m0.000s

對(duì)比兩次執(zhí)行的輸出結(jié)果不難看出，程序的性能的確得到了很大幅度的改善，由原來的14秒縮短到了3秒。這個(gè)例子是專門針對(duì)GCC的優(yōu)化功能而設(shè)計(jì)的，因此優(yōu)化前后程序的執(zhí)行速度發(fā)生了很大的改變。盡管GCC的代碼優(yōu)化功能非常強(qiáng)大，但作為一名優(yōu)秀的Linux程序員，首先還是要力求能夠手工編寫出高質(zhì)量的代碼。如果編寫的代碼簡(jiǎn)短，并且邏輯性強(qiáng)，編譯器就不會(huì)做更多的工作，甚至根本用不著優(yōu)化。 {{分頁}}

優(yōu)化雖然能夠給程序帶來更好的執(zhí)行性能，但在如下一些場(chǎng)合中應(yīng)該避免優(yōu)化代碼：

◆ 程序開發(fā)的時(shí)候 優(yōu)化等級(jí)越高，消耗在編譯上的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此在開發(fā)的時(shí)候最好不要使用優(yōu)化選項(xiàng)，只有到軟件發(fā)行或開發(fā)結(jié)束的時(shí)候，才考慮對(duì)最終生成的代碼進(jìn)行優(yōu)化。

◆ 資源受限的時(shí)候 一些優(yōu)化選項(xiàng)會(huì)增加可執(zhí)行代碼的體積，如果程序在運(yùn)行時(shí)能夠申請(qǐng)到的內(nèi)存資源非常緊張（如一些實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)備），那就不要對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)橛蛇@帶來的負(fù)面影響可能會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。

◆ 跟蹤調(diào)試的時(shí)候 在對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，某些代碼可能會(huì)被刪除或改寫，或者為了取得更佳的性能而進(jìn)行重組，從而使跟蹤和調(diào)試變得異常困難。

調(diào)試

一個(gè)功能強(qiáng)大的調(diào)試器不僅為程序員提供了跟蹤程序執(zhí)行的手段，而且還可以幫助程序員找到解決問題的方法。對(duì)于Linux程序員來講，GDB（GNU Debugger）通過與GCC的配合使用，為基于Linux的軟件開發(fā)提供了一個(gè)完善的調(diào)試環(huán)境。

默認(rèn)情況下，GCC在編譯時(shí)不會(huì)將調(diào)試符號(hào)插入到生成的二進(jìn)制代碼中，因?yàn)檫@樣會(huì)增加可執(zhí)行文件的大小。如果需要在編譯時(shí)生成調(diào)試符號(hào)信息，可以使用GCC 的-g或者-ggdb選項(xiàng)。GCC在產(chǎn)生調(diào)試符號(hào)時(shí)，同樣采用了分級(jí)的思路，開發(fā)人員可以通過在-g選項(xiàng)后附加數(shù)字1、2或3來指定在代碼中加入調(diào)試信息的多少。默認(rèn)的級(jí)別是2（-g2），此時(shí)產(chǎn)生的調(diào)試信息包括擴(kuò)展的符號(hào)表、行號(hào)、局部或外部變量信息。級(jí)別3（-g3）包含級(jí)別2中的所有調(diào)試信息，以及源代碼中定義的宏。級(jí)別1（-g1）不包含局部變量和與行號(hào)有關(guān)的調(diào)試信息，因此只能夠用于回溯跟蹤和堆棧轉(zhuǎn)儲(chǔ)之用?；厮莞欀傅氖潜O(jiān)視程序在運(yùn)行過程中的函數(shù)調(diào)用歷史，堆棧轉(zhuǎn)儲(chǔ)則是一種以原始的十六進(jìn)制格式保存程序執(zhí)行環(huán)境的方法，兩者都是經(jīng)常用到的調(diào)試手段。

GCC產(chǎn)生的調(diào)試符號(hào)具有普遍的適應(yīng)性，可以被許多調(diào)試器加以利用，但如果使用的是GDB，那么還可以通過-ggdb選項(xiàng)在生成的二進(jìn)制代碼中包含GDB專用的調(diào)試信息。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便GDB的調(diào)試工作，但缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致其它調(diào)試器（如DBX）無法進(jìn)行正常的調(diào)試。選項(xiàng)-ggdb能夠接受的調(diào)試級(jí)別和-g是完全一樣的，它們對(duì)輸出的調(diào)試符號(hào)有著相同的影響。

需要注意的是，使用任何一個(gè)調(diào)試選項(xiàng)都會(huì)使最終生成的二進(jìn)制文件的大小急劇增加，同時(shí)增加程序在執(zhí)行時(shí)的開銷，因此調(diào)試選項(xiàng)通常僅在軟件的開發(fā)和調(diào)試階段使用。調(diào)試選項(xiàng)對(duì)生成代碼大小的影響從下面的對(duì)比過程中可以看出來：

# gcc optimize.c -o optimize
# ls optimize -l
-rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 11649 Nov 20 08:53 optimize (未加調(diào)試選項(xiàng))
# gcc -g optimize.c -o optimize
# ls optimize -l
-rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 15889 Nov 20 08:54 optimize (加入調(diào)試選項(xiàng))

雖然調(diào)試選項(xiàng)會(huì)增加文件的大小，但事實(shí)上Linux中的許多軟件在測(cè)試版本甚至最終發(fā)行版本中仍然使用了調(diào)試選項(xiàng)來進(jìn)行編譯，這樣做的目的是鼓勵(lì)用戶在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)自己動(dòng)手解決，是Linux的一個(gè)顯著特色。

下面還是通過一個(gè)具體的實(shí)例說明如何利用調(diào)試符號(hào)來分析錯(cuò)誤，所用程序見清單4所示。

清單4：crash.c

#include 
int main(void)
{
int input =0;
printf("Input an integer:");
scanf("%d", input);
printf("The integer you input is %d\n", input);
return 0;
}

編譯并運(yùn)行上述代碼，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)重的段錯(cuò)誤（Segmentation fault）如下：

# gcc -g crash.c -o crash
# ./crash
Input an integer:10
Segmentation fault

為了更快速地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤所在，可以使用GDB進(jìn)行跟蹤調(diào)試，方法如下：

# gdb crash
GNU gdb Red Hat Linux (5.3post-0.20021129.18rh)
……
(gdb)

當(dāng)GDB提示符出現(xiàn)的時(shí)候，表明GDB已經(jīng)做好準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)試了，現(xiàn)在可以通過run命令讓程序開始在GDB的監(jiān)控下運(yùn)行：

(gdb) run
Starting program: /home/xiaowp/thesis/gcc/code/crash
Input an integer:10

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6

仔細(xì)分析一下GDB給出的輸出結(jié)果不難看出，程序是由于段錯(cuò)誤而導(dǎo)致異常中止的，說明內(nèi)存操作出了問題，具體發(fā)生問題的地方是在調(diào)用_IO_vfscanf_internal ( )的時(shí)候。為了得到更加有價(jià)值的信息，可以使用GDB提供的回溯跟蹤命令backtrace，執(zhí)行結(jié)果如下：

(gdb) backtrace
#0 0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6
#1 0xbffff0c0 in ?? ()
#2 0x4008e0ba in scanf () from /lib/libc.so.6
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
#4 0x40042917 in __libc_start_main () from /lib/libc.so.6

跳過輸出結(jié)果中的前面三行，從輸出結(jié)果的第四行中不難看出，GDB已經(jīng)將錯(cuò)誤定位到crash.c中的第11行了?，F(xiàn)在仔細(xì)檢查一下：

(gdb) frame 3
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
11 scanf("%d", input);

使用GDB提供的frame命令可以定位到發(fā)生錯(cuò)誤的代碼段，該命令后面跟著的數(shù)值可以在backtrace命令輸出結(jié)果中的行首找到。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤所在了，應(yīng)該將

scanf("%d", input);
改為
scanf("%d", &input);

完成后就可以退出GDB了，命令如下：

(gdb) quit

GDB的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，它還可以單步跟蹤程序、檢查內(nèi)存變量和設(shè)置斷點(diǎn)等。

調(diào)試時(shí)可能會(huì)需要用到編譯器產(chǎn)生的中間結(jié)果，這時(shí)可以使用-save-temps選項(xiàng)，讓GCC將預(yù)處理代碼、匯編代碼和目標(biāo)代碼都作為文件保存起來。如果想檢查生成的代碼是否能夠通過手工調(diào)整的辦法來提高執(zhí)行性能，在編譯過程中生成的中間文件將會(huì)很有幫助，具體情況如下：

# gcc -save-temps foo.c -o foo
# ls foo*
foo foo.c foo.i foo.s

GCC 支持的其它調(diào)試選項(xiàng)還包括-p和-pg，它們會(huì)將剖析（Profiling）信息加入到最終生成的二進(jìn)制代碼中。剖析信息對(duì)于找出程序的性能瓶頸很有幫助，是協(xié)助Linux程序員開發(fā)出高性能程序的有力工具。在編譯時(shí)加入-p選項(xiàng)會(huì)在生成的代碼中加入通用剖析工具（Prof）能夠識(shí)別的統(tǒng)計(jì)信息，而- pg選項(xiàng)則生成只有GNU剖析工具（Gprof）才能識(shí)別的統(tǒng)計(jì)信息。

最后提醒一點(diǎn)，雖然GCC允許在優(yōu)化的同時(shí)加入調(diào)試符號(hào)信息，但優(yōu)化后的代碼對(duì)于調(diào)試本身而言將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。代碼在經(jīng)過優(yōu)化之后，在源程序中聲明和使用的變量很可能不再使用，控制流也可能會(huì)突然跳轉(zhuǎn)到意外的地方，循環(huán)語句有可能因?yàn)檠h(huán)展開而變得到處都有，所有這些對(duì)調(diào)試來講都將是一場(chǎng)噩夢(mèng)。建議在調(diào)試的時(shí)候最好不使用任何優(yōu)化選項(xiàng)，只有當(dāng)程序在最終發(fā)行的時(shí)候才考慮對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。