gcc编译时优化

(Updated: )

胡言乱语之gcc优化

本文为业余蒟蒻尝试分析一段简单的 C 代码在 gcc -O0、-O1、-O2 下的优化情况。

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< 大佬驱散！！ >
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做数值分析的实验，写了点 C 代码，浮点数性质的实验，很无聊。所以来尝试用不同优化等级，生成汇编代码玩玩。

  • a1.c

原始 C 代码，将 100个 a3 逐个加到 a1 上，返回 a1。

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float a1_add_100a3_way1(float a1, float a3) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        a1 += a3;
    }
    return a1;
}
  • gcc-9 -O0 -S a1.c

用 0 级优化，编译成汇编，相当忠实地「直译」：

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_a1_add_100a3_way1:
LFB2:
	pushq	%rbp
LCFI3:
	movq	%rsp, %rbp
LCFI4:
	movss	%xmm0, -20(%rbp)
	movss	%xmm1, -24(%rbp)
	movl	$0, -4(%rbp)
	jmp	L3
L4:
	movss	-20(%rbp), %xmm0
	addss	-24(%rbp), %xmm0
	movss	%xmm0, -20(%rbp) 
	addl	$1, -4(%rbp)
L3:
	cmpl	$99, -4(%rbp)
	jle	L4
	movss	-20(%rbp), %xmm0
	popq	%rbp
LCFI5:
	ret
  • gcc-9 -O1 -S a1.c

用 1 级优化：

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_a1_add_100a3_way1:
LFB2:
	movl	$100, %eax
L4:
	addss	%xmm1, %xmm0
	subl	$1, %eax
	jne	L4
	ret

这个程序简单嘛，O1 已经优化的相当出色了，各种临时遍历能砍的全砍了。手写汇编也就这水平了。值得一提的是，它把 i 从 0 加到 < 100（即 == 99）的判断改成了从 100 减到 0，直接使用减法设置的 ZF，避免了一次 cmpl，很刺激。

  • gcc-9 -O2 -S a1.c

用 2 级优化，编译成汇编：

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_a1_add_100a3_way1:
LFB2:
	movl	$100, %eax
	.p2align 4,,10
	.p2align 3
L4:
	subl	$1, %eax
	addss	%xmm1, %xmm0
	jne	L4
	ret

和 1 级优化比，感觉几乎没有提升。但我有个不确定的猜想：

O2 编译把 subl 提到 addss 前运算，这样到 jne「取指」时，subl 已经到了「执行」，用一个 bubble 就可以避免流水线冒险。 而 O1 的版本里，jne 紧随 subl，jne 达到「取指」时，subl 还在「译码」阶段，需要更多的 bubble 或者其他方式来处理这里的流水线冒险，代价稍微大了一点点🤏。（流水线学的并不好，我不保证这个分析正确、有意义）

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这是一篇在桌面上找到的意义不明的文章。我于过去的某天偶然写下了这些东西，看上去很厉害，所以分享一下（但不知道内容是否正确、有效）。

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