gcc的优化

作者: 小幸运Q | 来源:发表于2020-05-21 09:30 被阅读0次

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Makefile-gcc编译优化(三)

在优化之前要提醒的内容：

1.任何级别的优化都将带来代码结构的改变。例如：对分支的合并和消除，对公用子表达式的消除，对循环内load/store操作的替换和更改等，都将会使目标代码的执行顺序变得面目全非，导致调试信息严重不足。

2.内存操作顺序改变所带来的问题：在O2优化后，编译器会对影响内存操作的执行顺序。例如：-fschedule-insns允许数据处理时先完成其他的指令；-fforce-mem有可能导致内存与寄存器之间的数据产生类似脏数据的不一致等。对于某些依赖内存操作顺序而进行的逻辑，需要做严格的处理后才能进行优化。例如，采用volatile关键字限制变量的操作方式，或者利用barrier迫使cpu严格按照指令序执行的。

表示程序性能的标准：CPE（越小性能越优）延迟界限　吞吐量界限

CPE指数只是针对循环代码而言的（几乎可以说代码性能优化就是对循环的优化），它指处理数据的每个元素所消耗的周期数。之所以使用每个元素的周期数而不是每个循环的周期数来度量，是因为循环次数可能随循环展开的程度不同而变化。

延迟界限：当一系列操作必须按照严格的顺序执行时，处理每个元素所历经的关键路径（最长路径）的周期数。当数据相关问题限制了指令级并行的能力时，延迟界限能够限制程序性能。

吞吐量界限：处理器功能单元全力运行时的原始计算能力。比如处理器具有两个能同时做乘法的单元，对于只有1次乘/元素的循环而言，此时的吞吐量界限就是0.5。吞吐量界限是程序性能的终极界限。

程序转换的优化安全：

内存别名使用：

void twiddle1(long*xp,long*yp){
    *xp+=*yp;
    *xp+=*yp
}
void twiddle2(long*xp,long*yp){
    *xp+=2* *yp
}

如果*xp=*yp，则twiddle1会是增加四倍（xp翻倍的同时yp也翻倍），twidde2则是增加三倍，编译器不知道xp会不会等于yp，所以无法将代码从twiddle1优化为twiddle2

2.函数调用合并

long counter=0;
long f(){
    return counter++;
}

long func1(){
    return f()+f()+f()+f();
}

long func2(){
    return 4*f();
}

func1的结果是0+1+2+3=6，而func2的结果是4*0=0

循环展开技术（－O3）

一种牺牲程序的尺寸来加快程序的执行速度的优化方法。可以由程序员完成，也可由编译器自动优化完成。循环展开最常用来降低循环开销，为具有多个功能单元的处理器提供指令级并行。也有利于指令流水线的调度。

// 计算p[i]=a[0]+...a[i]
void psum1(float a[],float p[],long n){
    long i;
    p[0]=a[0];
    for(i=1;i<n;i++){
        p[i]=p[i-1]+a[i]
    }
}

void psum1(float a[],float p[],long n){
    long i;
    p[0]=a[0];
    for(i=1;i<n;i++){
        float mid_val=p[i-1]+a[i];
        p[i]=mid_val;
        p[i+1]=mid_val+a[i+1];
    }
    // 对奇数值的特殊处理
    if(i<n){
        p[i]=p[i-1]+a[i];  
    }
}

image.png

gcc　参数优化

-Og 使用基本的优化
-O1 ... -O3 使用更大量的优化，但是也可能增加程序的规模（主要以O1为主）

// 通过修改data_t修改数据类型
#define data_t int
// 通过修改OP来修改执行的是加还是乘
#define IDENT 0
#define OP +
void combine1(vec_ptr v,data_t *dest){
    long i;
    
    *dest=IDENT;
    for(i=0;i<vec_length(v);i++){
        data_t val;
        get_vec_element(v,i,&val);
        *dest=*dest OP val;
    }
}

image.png

频繁使用数据缓存（针对全局变量和数组保存中间结果）

// combine1
for(i=0;i<vec_length(v);i++){
    ......
}

// combine2
void combine2(vec_ptr v,data_t *dest){
    long i;
    long length=get_vec_element(v,i,&val);
  
    *dest=IDENT;
    for(i=0;i<length;i++){
        data_t val;
        get_vec_element(v,i,&val);
        *dest=*dest OP val;
    }
}

image.png

减少过程调用

把函数调用取消直接访问元素，性能没啥提升。

data_t* get_vec_start(vec_ptr v){
        return v->data;
}
// combine3
void combine3(vec_ptr v,data_t *dest){
    long i;
    long length = get_vec_element(v,i,&val);
    data_t *data = get_vec_start(v);

    *dest=IDENT;
    for(i=0;i<length;i++){
        data_t val;
        get_vec_element(v,i,&val);
        *dest=*dest OP data[i];
    }
}

image.png

使用临时变量替代传入的指针变量（临时变量方便寄存器优化而不是内存地址读取数据）

void combine4(vec_ptr v,data_t *dest){
        long i;
        long length = vec_length(v);
        data_t *data=get_vec_start(v);
        data_t acc=IDENT;

        for(i=0;i<length;i++){
                acc=acc OP data[i];
        }
        *dest=acc;
}

image.png

k*n循环展开

步长为二，一个循环（2*1）

void combine5(vec_ptr v,data_t *dest){
        long i;
        long length = vec_length(v);
        long limit = length-1;
        data_t *data=get_vec_start(v);
        data_t acc=IDENT;
        
        // combine 2 elements at a time
        for(i=0;i<limit;i+=2){
                acc=(acc OP data[i])OP data[i+1];
        }
        // Finish any remaining elements
        for(;i<length;i++){
                acc = acc OP data[i];
        }
        *dest=acc;
}

步长为二，两个循环（2*2）

void combine6(vec_ptr v,data_t *dest){
        long i;
        long length = vec_length(v);
        long limit = length-1;
        data_t *data=get_vec_start(v);
        data_t acc0=IDENT;
        data_t acc1=IDENT;        
        // combine 2 elements at a time
        for(i=0;i<limit;i+=2){
                acc0=(acc0 OP data[i]);
                acc1=(acc1 OP data[i+1]);
        }
        // Finish any remaining elements
        for(;i<length;i++){
                acc0 = acc0 OP data[i];
        }
        *dest=acc0 OP acc1;
}

重新结合变换（k*1a）

void combine7(vec_ptr v,data_t *dest){
        long i;
        long length = vec_length(v);
        long limit = length-1;
        data_t *data=get_vec_start(v);
        data_t acc=IDENT;
        
        // combine 2 elements at a time
        for(i=0;i<limit;i+=2){
                acc=acc OP (data[i] OP data[i+1]);
        }
        // Finish any remaining elements
        for(;i<length;i++){
                acc = acc OP data[i];
        }
        *dest=acc;
}

image.png

寄存器溢出

现代ｘ８６架构拥有１６个寄存器，还有１６个ＹＭＭ寄存器可以存储浮点型数，如果需要缓存的变量超过该个数则需要将数据存放到内存，性能可能会下降。

条件控制转移（if...else）　VS　条件传送（ ? ... : ... ）

条件控制转移指根据代码的条件结果来选择执行的路径，条件传送指先把结果执行，在根据条件结果选择结果值。在相同的情况下，条件传送性能比条件控制转移高。

//  CPE 13.5
void minmax1(long a[],long b[],long n){
    long i;
    for(i=0;i<n;i++){
        long t=a[i];
        a[i]=b[i];
        b[i]=t;
    }
}

// CPE 4.0
void minmax2(long a[],long b[],long n){
    for(i=0;i<n;i++){
        long min=a[i]<b[i]?a[i]:b[i];
        long max=a[i]<b[i]?b[i]:a[i];
        a[i]=min;
        b[i]=max;
    }
}