Viusal C++的优化代码

Mark Lacey

Microsoft Corporation

April 2003

翻译：cnss

概要：这篇文章介绍了Visual C++.NET 2003中的代码优化。另外，有些读者可能对VC.N
ET 2002的优化不太了解，所以我们会简短介绍一下全程优化(Whole Program
Optimization)。最后我们用一些例子充分表现一下VC.NET的优化性能，并对其讨论。

本文适用于：Visual C++ .NET 2003

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前言

人们在使用一个新的编程工具时总会感到缺乏自信，本文试图让你对VC的代码优化
有更直观的感觉，希望你能通过阅读本文从VC中"得到"更多的东西。

Visual C++ .NET 2003
VC.NET 2003不仅带来了两个新的优化选项，它还改进了VC.NET 2002中一些优化的
性能。

第一个新增选项是"/G7"，它告诉编译器对Intel Pentium 4和AMD Athlon处理器进
行优化。

使用"/G7"选项编译的程序，当我们和VC.NET 2002生成的代码比较时发现，它通常
能使典型的程序的运行速度提高5到10个百分点，如果使用了大量浮点代码甚至能提高10
到15个百分点。而提高的优化程度可能很高也可能较低，在一些使用最新CPU和"/G7"选
项的测试中，甚至提高了20%的性能。

使用"/G7"选项不代表生成的代码只能运行在Intel Pentium 4和AMD Athlon处理器
上。这些代码仍可以运行在老的CPU上，只是在性能表现上可能有"小小的惩罚"。另外，
我们观察到一些程序使用"/G7"后在AMD Athlon上运行的比用Intel Pentium 4更慢。

当没使用"/Gx"选项时，编译器会默认使用"/GB"选项，此时为"blended"优化模式。
在VC.NET 2002和VC.NET 2003中，"/GB"代表"/G6"，即为Intel Pentium Pro，
Pentium II， Pentium III处理器优化。

这儿有一个例子，它展示了做与常整数乘法时使用Pentium 4和"/G7"的优化效果，
下面是源代码：

int i;

…

// Do something that assigns a value to i.

…

return i*15;

当使用"/G6"时，生成了目标代码：

mov eax, DWORD PTR _i$[esp-4]

imul eax, 15

当使用"/G7"时，生成了更快(可惜更长)的代码，它没用imul(乘)指令，在Pentium 4上
执行只需要14个周期。目标代码如下：

mov ecx, DWORD PTR _i$[esp-4]

mov eax, ecx

shl eax, 4

sub eax, ecx

第二个优化选项是"/arch:[argument]"，用它可对SSE或SSE2优化，生成使用Stream
ing SIMD Extensions (SSE) 和 Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2) 指令集的程序
。当使用"/arch:SSE"选项时，目标代码只能运行在支持SSE指令(如：CMOV， FCOMI，
FCOMIP， FUCOMI， FUCOMIP)的CPU上。当使用"/arch:SSE2"选项时，目标代码只能运行
在支持SSE2指令集的CPU上。

相比于"/G7"，使用了SSE或SSE2优化的程序，一般能减少2-3%的运行时间，个别测
试中甚至能减少5%的运行时间。

使用"/arch:SSE"可得到以下效果：

1。在使用单精度浮点数时，使用SSE指令对其处理。

2。使用CMOV指令，它最早被Pentium Pro支持。

3。使用FCOMI， FCOMIP， FUCOMI， FUCOMIP指令，它们也是最早被Pentium Pro支
持的。

使用"/arch:SSE2"的话，可以得到所有"/arch:SSE"选项的效果，另外还有以下几个
效果：

1。在使用双精度浮点数时，使用SSE2指令对其处理。

2。使SSE2指令集做64位切换。(原文：Making use of SSE2 instructions for
64-bit shifts)

还有其它的好处，在同时使用"/arch:SSE"或"/arch:SSE2” 和 "/GL"(全程优化)选项选
项时，编译器会对浮点参数和浮点返回值做函数调用规则优化。

上面说的几点优化特性已经包括于VC.NET 2003里了。另外还有一点就是能消除"死
参数"--从没被用过的参数。比如：

int

f1(int i, int j, int k)

{

return i + k;

}

int

main()

{

int n = a+b+c+d;

m = f1(3, n, 4);

return 0;

}

在函数f1()中，第二个参数从没被使用过。当我们用"/GL"(全程优化)选项时，编译器将
产生如下目标代码来调用f1()：

mov eax, 4

mov ecx, 3

call ?f1@@YAHHHH@Z

mov DWORD PTR ?m@@3HA, eax

在这个例子里，变量"n"从没被运算，只有两个参数被f1()使用，所以只传递那两个参数
(并且它们是从寄存器传过去的，这比使用栈传更快)。另外，编译这个例子时要禁止内
联(inlining)，否则函数f1()就不存在了，而直接给m赋予值7。

Visual C++ .NET 2002
VC.NET 2002引入了全程优化(Whole Program Optimization，缩写为WPO)的概念，"
/GL"选项代表使用全程优化。全程优化意味着：编译器在.obj文件中存放的是代码的中
间表达而不是目标代码，在连接时连接器对其优化处理并生成真正的目标代码。

全程优化的一个主要好处在于我们可以跨越源文件进行函数内联，这将大大提高程
序的性能。还有一个好处在于编译器可以跟踪内存和寄存器的使用，以便优化使函数调
用的开销更小。

下面的代表展示了全程优化的表现：

// File 1

extern void func (int *, int *);

int g, h;

int

main()

{

int i = 0;

int j = 1;

g = 5;

h = 6;

func(&I, &j);

g = g + i;

h = h + i;

return 0;

}

// File 2

extern int g;

extern int h;

void

func(int *pi, int *pj)

{

*pj = g;

h = *pi;

}

当不使用"/GL"选项时，生成了如下代码：

sub esp, 8

lea eax, DWORD PTR _j$[esp+8]

push eax

lea ecx, DWORD PTR _i$[esp+12]

push ecx

mov DWORD PTR _i$[esp+16], 0

mov DWORD PTR _j$[esp+16], 1

mov DWORD PTR ?g@@3HA, 5

mov DWORD PTR ?h@@3HA, 6

call ?func@@YAXPAH0@Z

mov eax, DWORD PTR _i$[esp+16]

mov edx, DWORD PTR ?g@@3HA

mov ecx, DWORD PTR ?h@@3HA

add edx, eax

add ecx, eax

mov DWORD PTR ?g@@3HA, edx

mov DWORD PTR ?h@@3HA, ecx

xor eax, eax

add esp, 16

ret 0

当使用了"/GL"时，你会看到下面的代码，现在的代码短多了。注意编译这个例子时同样
要注意关掉内联优化。

sub esp, 8

lea ecx, DWORD PTR _j$[esp+8]

lea edx, DWORD PTR _i$[esp+8]

mov DWORD PTR _i$[esp+8], 0

mov DWORD PTR ?g@@3HA, 5

mov DWORD PTR ?h@@3HA, 6

call ?func@@YAXPAH0@Z

mov DWORD PTR ?g@@3HA, 5

xor eax, eax

add esp, 8

ret 0

表现优化的最好例子

VC编译器包括两个主要的优化参数，"/O1"和"/O2"。"/O1"代表最小尺寸，选了它编
译器认为用了以下选项。

1./Og 全局优化，比如经常用到的变量使用寄存器保存，或者循环内的计算优化

2./Os 程序（exe或dll）尺寸优化优先于代码速度优化

3./Oy 使用帧指针，以提高函数调用速度

4./Ob2 编译器“觉得”应该使用内联的函数，都使用内联

5./GF 使用只读字符串池

6./Gy 告诉编译器将各个函数按打包格式编译

"/O2"选项代表最快速度，它基本上与"/O1"相同，只是用"/Ot"(更快的代码)代替了
"/Os"。另外还有"/Oi"代表了展开内联函数。

一般来说，对小程序使用最快优化，对大程序使用最小尺寸优化，这是因为尺寸大
的程序通常能导致加载缓慢，CACHE命中率低，系统频繁切换分布内存等问题。使用最小
尺寸优化，编译不再展开循环，也不会采用更长的代码。

在选择了主要优化选项后，用profile去寻找"热区"是一个好办法，这样你可以对程
序不同部分做最适当的优化。比如如果你用最小尺寸优化后，用profile发现有几个函数
执行的很频繁，那你就可以把那几个函数按最快速度优化。

VC编译器可以对特定函数进行优化选项!

比如，如果你发现fiddle()函数被调用的频率很高，那你就可以让编译器只对这个
函数进行最快速度优化，这样：

#pragma optimize("t", on)

int fiddle(S *p)

{

…;

}

#pragma optimize("", on)

除了"/O1"和"/O2"以外，还有"/Ox"选项，它很与"/O2"效果相同，而"/Ox"与"/Os"
组合则与"/O1"效果相同。我们推荐使用"/O1"和"/O2"，而不是用"/Ox"。

至此，我们讨论了"/G7"，"/arch"和"/GL"优化选项。

除了上面介绍的，VC还提供了两个：

1./GA 优化静态线程局部存储。(不要用于DLL project，用了也没效果)

2./Gr 使用__fastcall作默认调用规则，这代表头两个参数会用寄存器传送(如果参
数能装进寄存器)。

另外的一个选项是"/opt:ref"，用它可以通知连接器，在连接时去掉没被调用的函
数和没被使用的数据。用"/opt:icf"选项能合并相同函数(比如你的程序可能通过模板展
开了好几遍)，这时优化也能减小程序的尺寸。

Visual C++ .NET中的优化改进

这儿有3个重要的优化选项，你可以把它们用在VC.NET 2003的项目中。虽然VC.NET
2002也提供了这些选项，但VC.NET 2003对它们做了性能上的改进。

下表简要的描述了它们，如果你想了解更详细的内容，请查阅VC所带的文档。

选项
效果

/RTC1
使用无优化的Debug模式，编译器插入动态检测代码以帮助你发现程序中的错误。比如
你没有初始化的内存，或者你把__stdcall和__cdecl弄混了。

/GS
加入检测静态缓冲区(栈)溢出的代码，黑客就不能覆盖函数返回的地址以执行恶意代码
。

注意：这不意味着你可以高枕无忧，你仍要留心编写安全的代码！

/Wp64
检测生成64位代码的问题，通过它你可以发现移植到64位环境下你的代码可能出现的问
题。

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不知道VC++还有没有前途.........