GCC 编译优化指南

前言

网上关于编译优化的文章不少，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。可是，在介绍全部优化知识以前首先引用LFS-Book中的一句忠告：“使用编译器优化获得的小幅度性能提高，与它带来的风险相比微不足道”。你还要进行优化吗？html

%@&#=^%~*# ... 
OK, crazy guy! Let's Go!!linux

在继续以前，做者仍是奉劝各位：若是追求极致的优化，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."因此本文不会涉及所有GCC优化选项。最后做者仍是再罗唆一句：优化应当适可而止为好，将精力留出来作一些其它事情会更有意义！web

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，若是你以前从未使用过 LFS/Gentoo ，请先按照《Linux From Scratch 6.2 中文版》作一遍 LFS ，而后再来阅读此文将会更有意义。另外，本文是创建在《深刻理解软件包的配置、编译与安装》一文基础之上的，在开始阅读本文以前，请先阅读它。算法

基本原理

咱们首先从三个方面来看与优化相关的内容：数据库

1. 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，可是通过精心选择、精心配置、精心编译的内核与C库将对提升系统的运行速度起着基础性的做用。
2. 从被编译的软件包来看，每一个软件包的 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。好比，对于 Apache-2.2.6 而言，你可使用 --enable-MODULE=static 将模块静态编译进核心，使用 --disable-MODULE 禁用不须要的模块，使用 --with-mpm=MPM 选择一个高效的多路处理模块，在不须要IPv6的状况下使用 --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……这部份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 查看全部选项，并精心选择。
3. 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须要通过如下四个步骤：预处理(cpp) → 编译(gcc或g++) → 汇编(as) → 链接(ld) ；括号中表示每一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。

大致上编译优化就这"三板斧"(实际上是"三脚猫")了，本文接下来的内容将讨论这只猫的后两只脚。数组

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高，同时比老版本对新硬件的支持更好，因此应当尽可能选用新版本。不过追新也可能带来系统的不稳定，这就要针对实际状况进行权衡了。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。缓存

configure 选项

这里咱们只讲解通用的"体系结构选项"，因为"特性选项"在每一个软件包之间千差万别，因此不可能在此处进行讲解。安全

这部份内容很简单，而且其含义也是不言而喻的，下面只列出经常使用的值：网络

• i586-pc-linux-gnu
• i686-pc-linux-gnu
• x86_64-pc-linux-gnu
• powerpc-unknown-linux-gnu
• powerpc64-unknown-linux-gnu

若是你实在不知道应当使用哪个，那么就干脆不使用这几个选项，让 config.guess 脚本本身去猜吧，反正也挺准的。多线程

编译选项

让咱们先看看 Makefile 规则中的编译命令一般是怎么写的。

大多数软件包遵照以下约定俗成的规范：

#1,首先从源代码生成目标文件(预处理,编译,汇编)，"-c"选项表示不执行连接步骤。
$(CC) $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) example.c   -c   -o example.o
#2,而后将目标文件链接为最终的结果(链接)，"-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

固然也有少数软件包不遵照这些约定俗成的规范，好比：

#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,有些在命令行中增长了没必要要的Makefile变量
$(CC) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) example.o   -o example
$(CC) $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) example.c   -c   -o example.o

固然还有极个别软件包彻底是"胡来"：乱用变量(增长没必要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一样的程序(cpp,gcc/g++,as,ld)完成，可是事实上 cpp, as, ld 都是由 gcc/g++ 进行间接调用的。换句话说，控制了 gcc/g++ 就等于控制了全部四个步骤。从 Makefile 规则中的编译命令能够看出，编译工具的行为全靠 CC/CXX CPPFLAGS CFLAGS/CXXFLAGS LDFLAGS 这几个变量在控制。固然理论上控制编译工具行为的还应当有 AS ASFLAGS ARFLAGS 等变量，可是实践中基本上没有软件包使用它们。

那么咱们如何控制这些变量呢？一种简易的作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，而后运行 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。可是少数 configure 脚本并不这样作(好比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，许多源码包在每一个子文件夹中都有 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。默认值通常是 "gcc" 与 "g++"。这个变量原本与优化没有关系，可是有些人由于担忧软件包不遵照那些约定俗成的规范，惧怕本身苦心设置的 CFLAGS/CXXFLAGS/LDFLAGS 之类的变量被忽略了，而索性将本来应当放置在其它变量中的选项一股老儿塞到 CC 或 CXX 中，好比：CC="gcc -march=k8 -O2 -s"。这是一种怪异的用法，本文不提倡这种作法，而是提倡按照变量原本的含义使用变量。

CPPFLAGS

这是用于预处理阶段的选项。不过可以用于此变量的选项，看不出有哪一个与优化相关。若是你实在想设一个，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)而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。另外一方面，因为大部分选项能够同时用于这两个变量，因此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，你只要按需添加便可。

先说说"-O3"在"-O2"基础上增长的几项：

-finline-functions

容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以外。

-fgcse-after-reload

为了清除多余的溢出，在重载以后执行一个额外的载入消除步骤。

另外：

-fomit-frame-pointer

对于不须要栈指针的函数就不在寄存器中保存指针，所以能够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。全部"-O"级别都打开它，但仅在调试器能够不依靠栈指针运行时才有效。在AMD64平台上此选项默认打开，可是在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，其中的根据不一样的平台N使用不一样的默认值。若是你想指定不一样于默认值的N，也能够单独指定。好比，对于L2-cache>=1M的cpu而言，指定 -falign-functions=64 可能会得到更好的性能。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建立包含每一个代码块的执行次数的文件后，程序能够再次使用 -fbranch-probabilities 编译，文件中的信息能够用来优化那些常常选取的分支。若是没有这些信息，gcc将猜想哪一个分支将被常常运行以进行优化。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

在编译过程的不一样阶段之间使用管道而非临时文件进行通讯，能够加快编译速度。建议使用。

目录选项：

--sysroot=dir

将dir做为逻辑根目录。好比编译器一般会在 /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。若是使用这个选项的同时又使用了 -isysroot 选项，则此选项仅做用于库文件的搜索路径，而 -isysroot 选项将做用于头文件的搜索路径。这个选项与优化无关，可是在 CLFS 中有着神奇的做用。

代码生成选项：

-fno-bounds-check

关闭全部对数组访问的边界检查。该选项将提升数组索引的性能，但当超出数组边界时，可能会形成不可接受的行为。

-freg-struct-return

若是struct和union足够小就经过寄存器返回，这将提升较小结构的效率。若是不够小，没法容纳在一个寄存器中，将使用内存返回。建议仅在彻底使用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。全部的内部寻址均经过全局偏移表完成。要肯定一个地址，须要将代码自身的内存位置做为表中一项插入。该选项产生能够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须要它。

-fvisibility=hidden

设置默认的ELF镜像中符号的可见性为隐藏。使用这个特性能够很是充分的提升链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。咱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能够用：pentium2, pentium3(=pentium3m), pentium4(=pentium4m), pentium-m, prescott, nocona, core2(GCC-4.3新增) 。AMD能够用：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。

-malign-double

将double, long double, long long对齐于双字节边界上；有助于生成更高速的代码，可是程序的尺寸会变大，而且不能与未使用该选项编译的程序一块儿工做。

-m128bit-long-double

指定long double为128位，pentium以上的cpu更喜欢这种标准，而且符合x86-64的ABI标准，可是却不附合i386的ABI标准。

-mregparm=N

指定用于传递整数参数的寄存器数目(默认不使用寄存器)。0<=N<=3 ；注意：当N>0时你必须使用同一参数从新构建全部的模块，包括全部的库。

-msseregparm

使用SSE寄存器传递float和double参数和返回值。注意：当你使用了这个选项之后，你必须使用同一参数从新构建全部的模块，包括全部的库。

-mmmx
-msse
-msse2
-msse3
-m3dnow
-mssse3(没写错!GCC-4.3新增)
-msse4.1(GCC-4.3新增)
-msse4.2(GCC-4.3新增)
-msse4(含4.1和4.2,GCC-4.3新增)

是否使用相应的扩展指令集以及内置函数，按照本身的cpu选择吧！

-maccumulate-outgoing-args

指定在函数引导段中计算输出参数所需最大空间，这在大部分现代cpu中是较快的方法；缺点是会明显增长二进制文件尺寸。

-mthreads

支持Mingw32的线程安全异常处理。对于依赖于线程安全异常处理的程序，必须启用这个选项。使用这个选项时会定义"-D_MT"，它将包含使用选项"-lmingwthrd"链接的一个特殊的线程辅助库，用于为每一个线程清理异常处理数据。

-minline-all-stringops

默认时GCC只将肯定目的地会被对齐在至少4字节边界的字符串操做内联进程序代码。该选项启用更多的内联而且增长二进制文件的体积，可是能够提高依赖于高速 memcpy, strlen, memset 操做的程序的性能。

-minline-stringops-dynamically

GCC-4.3新增。对未知尺寸字符串的小块操做使用内联代码，而对大块操做仍然调用库函数，这是比"-minline-all-stringops"更聪明的策略。决定策略的算法能够经过"-mstringop-strategy"控制。

-momit-leaf-frame-pointer

不为叶子函数在寄存器中保存栈指针，这样能够节省寄存器，可是将会使调试变的困难。注意：不要与 -fomit-frame-pointer 同时使用，由于会形成代码效率低下。

-m64

生成专门运行于64位环境的代码，不能运行于32位环境，仅用于x86_64[含EMT64]环境。

-mcmodel=small

[默认值]程序和它的符号必须位于2GB如下的地址空间。指针仍然是64位。程序能够静态链接也能够动态链接。仅用于x86_64[含EMT64]环境。

-mcmodel=kernel

内核运行于2GB地址空间以外。在编译linux内核时必须使用该选项！仅用于x86_64[含EMT64]环境。

-mcmodel=medium

程序必须位于2GB如下的地址空间，可是它的符号能够位于任何地址空间。程序能够静态链接也能够动态链接。注意：共享库不能使用这个选项编译！仅用于x86_64[含EMT64]环境。

其它优化选项：

-fforce-addr

必须将地址复制到寄存器中才能对他们进行运算。因为所需地址一般在前面已经加载到寄存器中了，因此这个选项能够改进代码。

-finline-limit=n

对伪指令数超过n的函数，编译程序将不进行内联展开，默认为600。增大此值将增长编译时间和编译内存用量而且生成的二进制文件体积也会变大，此值不宜太大。

-fmerge-all-constants

试图将跨编译单元的全部常量值和数组合并在一个副本中。可是标准C/C++要求每一个变量都必须有不一样的存储位置，因此该选项可能会致使某些不兼容的行为。

-fgcse-sm

在全局公共子表达式消除以后运行存储移动，以试图将存储移出循环。gcc-3.4中曾属于"-O2"级别的选项。

-fgcse-las

在全局公共子表达式消除以后消除多余的在存储到同一存储区域以后的加载操做。gcc-3.4中曾属于"-O2"级别的选项。

-floop-optimize

已废除(GCC-4.1曾包含在"-O1"中)。

-floop-optimize2

使用改进版本的循环优化器代替原来"-floop-optimize"。该优化器将使用不一样的选项(-funroll-loops, -fpeel-loops, -funswitch-loops, -ftree-loop-im)分别控制循环优化的不一样方面。目前这个新版本的优化器尚在开发中，而且生成的代码质量并不比之前的版本高。已废除，仅存在于GCC-4.1以前的版本中。

-funsafe-loop-optimizations

假定循环不会溢出，而且循环的退出条件不是无穷。这将能够在一个比较广的范围内进行循环优化，即便优化器本身也不能判定这样作是否正确。

-fsched-spec-load

容许一些装载指令执行一些投机性的动做。

-ftree-loop-linear

在trees上进行线型循环转换。它可以改进缓冲性能而且容许进行更进一步的循环优化。

-fivopts

在trees上执行概括变量优化。

-ftree-vectorize

在trees上执行循环向量化。

-ftracer

执行尾部复制以扩大超级块的尺寸，它简化了函数控制流，从而容许其它的优化措施作的更好。听说挺有效。

-funroll-loops

仅对循环次数可以在编译时或运行时肯定的循环进行展开，生成的代码尺寸将变大，执行速度可能变快也可能变慢。

-fprefetch-loop-arrays

生成数组预读取指令，对于使用巨大数组的程序能够加快代码执行速度，适合数据库相关的大型软件等。具体效果如何取决于代码。

-fweb

创建常用的缓存器网络，提供更佳的缓存器使用率。gcc-3.4中曾属于"-O3"级别的选项。

-ffast-math

违反IEEE/ANSI标准以提升浮点数计算速度，是个危险的选项，仅在编译不须要严格遵照IEEE规范且浮点计算密集的程序考虑采用。

-fsingle-precision-constant

将浮点常量做为单精度常量对待，而不是隐式地将其转换为双精度。

-fbranch-probabilities

在使用 -fprofile-arcs 选项编译程序并执行它来建立包含每一个代码块执行次数的文件以后，程序能够利用这一选项再次编译，文件中所产生的信息将被用来优化那些常常发生的分支代码。若是没有这些信息，gcc将猜想那一分支可能常常发生并进行优化。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。

-frename-registers

试图驱除代码中的假依赖关系，这个选项对具备大量寄存器的机器颇有效。gcc-3.4中曾属于"-O3"级别的选项。

-fbranch-target-load-optimize
-fbranch-target-load-optimize2

在执行序启动以及结尾以前执行分支目标缓存器加载最佳化。

-fstack-protector

在关键函数的堆栈中设置保护值。在返回地址和返回值以前，都将验证这个保护值。若是出现了缓冲区溢出，保护值再也不匹配，程序就会退出。程序每次运行，保护值都是随机的，所以不会被远程猜出。

-fstack-protector-all

同上，可是在全部函数的堆栈中设置保护值。

--param max-gcse-memory=xxM

执行GCSE优化使用的最大内存量(xxM)，过小将使该优化没法进行，默认为50M。

--param max-gcse-passes=n

执行GCSE优化的最大迭代次数，默认为 1。

传递给汇编器的选项：

-Wa,options

options是一个或多个由逗号分隔的能够传递给汇编器的选项列表。其中的每个都可做为命令行选项传递给汇编器。

-Wa,--strip-local-absolute

从输出符号表中移除局部绝对符号。

-Wa,-R

合并数据段和正文段，由于没必要在数据段和代码段之间转移，因此它可能会产生更短的地址移动。

-Wa,--64

设置字长为64bit，仅用于x86_64，而且仅对ELF格式的目标文件有效。此外，还须要使用"--enable-64-bit-bfd"选项编译的BFD支持。

-Wa,-march=CPU

按照特定的CPU进行优化：pentiumiii, pentium4, prescott, nocona, core, core2; athlon, sledgehammer, opteron, k8 。

仅可用于 CFLAGS 的选项：

-fhosted

按宿主环境编译，其中须要有完整的标准库，入口必须是main()函数且具备int型的返回值。内核之外几乎全部的程序都是如此。该选项隐含设置了 -fbuiltin，且与 -fno-freestanding 等价。

-ffreestanding

按独立环境编译，该环境能够没有标准库，且对main()函数没有要求。最典型的例子就是操做系统内核。该选项隐含设置了 -fno-builtin，且与 -fno-hosted 等价。

仅可用于 CXXFLAGS 的选项：

-fno-enforce-eh-specs

C++标准要求强制检查异常违例，可是该选项能够关闭违例检查，从而减少生成代码的体积。该选项相似于定义了"NDEBUG"宏。

-fno-rtti

若是没有使用'dynamic_cast'和'typeid'，可使用这个选项禁止为包含虚方法的类生成运行时表示代码，从而节约空间。此选项对于异常处理无效(仍然按需生成rtti代码)。

-ftemplate-depth-n

将最大模版实例化深度设为'n'，符合标准的程序不能超过17，默认值为500。

-fno-optional-diags

禁止输出诊断消息，C++标准并不须要这些消息。

-fno-threadsafe-statics

GCC自动在访问C++局部静态变量的代码上加锁，以保证线程安全。若是你不须要线程安全，可使用这个选项。

-fvisibility-inlines-hidden

默认隐藏全部内联函数，从而减少导出符号表的大小，既能缩减文件的大小，还能提升运行性能，咱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=hidden 选项。

LDFLAGS

LDFLAGS 是传递给链接器的选项。这是一个常被忽视的变量，事实上它对优化的影响也是很明显的。

-s

删除可执行程序中的全部符号表和全部重定位信息。其结果与运行命令 strip 所达到的效果相同，这个选项是比较安全的。

-Wl,options

options是由一个或多个逗号分隔的传递给连接器的选项列表。其中的每个选项均会做为命令行选项提供给连接器。

-Wl,-On

当n>0时将会优化输出，可是会明显增长链接操做的时间，这个选项是比较安全的。

-Wl,--exclude-libs=ALL

不自动导出库中的符号，也就是默认将库中的符号隐藏。

-Wl,-m<emulation>

仿真<emulation>链接器，当前ld全部可用的仿真能够经过"ld -V"命令获取。默认值取决于ld的编译时配置。

-Wl,--sort-common

把全局公共符号按照大小排序后放到适当的输出节，以防止符号间由于排布限制而出现间隙。

-Wl,-x

删除全部的本地符号。

-Wl,-X

删除全部的临时本地符号。对于大多数目标平台，就是全部的名字以'L'开头的本地符号。

-Wl,-zcomberloc

组合多个重定位节并从新排布它们，以便让动态符号能够被缓存。

-Wl,--enable-new-dtags

在ELF中建立新式的"dynamic tags"，但在老式的ELF系统上没法识别。

-Wl,--as-needed

移除没必要要的符号引用，仅在实际须要的时候才链接，能够生成更高效的代码。

-Wl,--no-define-common

限制对普通符号的地址分配。该选项容许那些从共享库中引用的普通符号只在主程序中被分配地址。这会消除在共享库中的无用的副本的空间，同时也防止了在有多个指定了搜索路径的动态模块在进行运行时符号解析时引发的混乱。

-Wl,--hash-style=gnu

使用gnu风格的符号散列表格式。它的动态连接性能比传统的sysv风格(默认)有较大提高，可是它生成的可执行程序和库与旧的Glibc以及动态连接器不兼容。

最后说两个与优化无关的系统环境变量，由于会影响GCC编译程序的方式，下面两个是咱中国人比较关心的：

LANG

指定编译程序使用的字符集，可用于建立宽字符文件、串文字、注释；默认为英文。[目前只支持日文"C-JIS,C-SJIS,C-EUCJP"，不支持中文]

LC_ALL

指定多字节字符的字符分类，主要用于肯定字符串的字符边界以及编译程序使用何种语言发出诊断消息；默认设置与LANG相同。中文相关的几项："zh_CN.GB2312 , zh_CN.GB18030 , zh_CN.GBK , zh_CN.UTF-8 , zh_TW.BIG5"。