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深入理解Linux CC編譯選項(xiàng)，提升代碼質(zhì)量和性能
作為開(kāi)源世界中的杰出操作系統(tǒng)，Linux以其出色的穩(wěn)定性、安全性、高效性，成為了服務(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)的首選，并在嵌入式領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而在Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)、庫(kù)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等場(chǎng)景中，編譯優(yōu)化和性能調(diào)優(yōu)是極為重要的一環(huán)，對(duì)于提高代碼質(zhì)量、加速應(yīng)用執(zhí)行、節(jié)省系統(tǒng)資源等方面都具有不容忽視的作用。本文將帶領(lǐng)讀者深入理解Linux CC編譯選項(xiàng)，介紹一些重要的選項(xiàng)和技巧，以提升代碼質(zhì)量和性能。
1. CC編譯選項(xiàng)簡(jiǎn)介
在Linux中，GCC（GNU Compiler Collection）被廣泛應(yīng)用，作為編譯C、C++、Objective-C、Fortran等語(yǔ)言的工具。CC（C Compiler）就是GCC 編譯C語(yǔ)言用的命令，可以理解為GCC 的一個(gè)別名。同時(shí)，GCC也是在Linux中更流行的編譯器之一，其豐富的編譯選項(xiàng)使得它可以適應(yīng)各種語(yǔ)言和工具鏈需求。
GCC 編譯選項(xiàng)分為基本選項(xiàng)和擴(kuò)展選項(xiàng)兩類?；具x項(xiàng)包括-O、-g、-ansi、-pedantic等，可用于生成可執(zhí)行文件或庫(kù)；擴(kuò)展選項(xiàng)包括-f和–flags，用于激活編譯時(shí)特性或預(yù)定義的宏等。
其中，最常見(jiàn)的選項(xiàng)為-O（優(yōu)化）選項(xiàng)，其可以被設(shè)置為不同的級(jí)別：-O0、-O1、-O2、-O3等。其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化級(jí)別越高，編譯結(jié)果越優(yōu)秀，但同時(shí)也會(huì)消耗更多的編譯時(shí)間和增加可執(zhí)行文件的大小。
下面我們將通過(guò)具體實(shí)例來(lái)介紹一些常用的優(yōu)化選項(xiàng)和技巧，以提高代碼質(zhì)量和性能。
2. GCC編譯選項(xiàng)實(shí)例
2.1 函數(shù)內(nèi)聯(lián)
可使用GCC編譯器選項(xiàng)-finline-functions實(shí)現(xiàn)函數(shù)內(nèi)聯(lián)，將函數(shù)體直接嵌入到調(diào)用位置，減少函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷，提高函數(shù)執(zhí)行效率。
示例代碼：
“`C
#include
// 使用inline將函數(shù)變?yōu)閮?nèi)聯(lián)函數(shù)
inline int sum(int a, int b)
{
return a + b;
}
int mn()
{
int a = 6, b = 7;
int s = sum(a,b); // 調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)
printf(“a=%d b=%d sum=%d\n”, a, b, s);
return 0;
}
“`
使用GCC編譯器選項(xiàng)-finline-functions進(jìn)行編譯：
“`bash
gcc -O3 -finline-functions -o inline inline.c
“`
2.2 循環(huán)展開(kāi)
循環(huán)展開(kāi)可通過(guò)GCC編譯器選項(xiàng)-funroll-loops進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，將循環(huán)體重復(fù)執(zhí)行多次，優(yōu)化循環(huán)調(diào)用的性能。
示例代碼：
“`C
#include
#define N 10000
int mn()
{
int a[N], b[N], c[N];
int i;
// 初始化數(shù)組a、b
for (i = 0; i
a[i] = 2 * i;
b[i] = i;
}
// 循環(huán)展開(kāi)優(yōu)化
for (i = 0; i
c[i] = a[i] + b[i];
c[i+1] = a[i+1] + b[i+1];
c[i+2] = a[i+2] + b[i+2];
c[i+3] = a[i+3] + b[i+3];
}
// 輸出部分?jǐn)?shù)組元素的值
printf(“%d %d %d %d %d\n”, c[0], c[1], c[2], c[3], c[4]);
return 0;
}
“`
使用GCC編譯器選項(xiàng)-funroll-loops進(jìn)行編譯：
“`bash
gcc -O3 -funroll-loops -o unroll unroll.c
“`
2.3 指針對(duì)齊
指針的對(duì)齊可以減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的開(kāi)銷，特別是在多核處理器中使用鎖進(jìn)行同步時(shí)更加顯著?？梢允褂肎CC編譯器選項(xiàng)-fptraaa指定指針對(duì)齊方式。
示例代碼：
“`C
#include
#include
#define N 1024
int mn()
{
int *a = (int *) aligned_alloc(64, N * sizeof(int));
int i;
// 初始化數(shù)組a
for (i = 0; i
a[i] = i;
}
// 輸出數(shù)組a的地址
printf(“Array ‘a(chǎn)’ address: %p\n”, a);
return 0;
}
“`
使用GCC編譯器選項(xiàng)-fptraaa進(jìn)行編譯：
“`bash
gcc -O3 -fptraaa -o align align.c
“`
3.
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- Linux下gcc編譯介紹
Linux下gcc編譯介紹
Linux系統(tǒng)下的Gcc（GNU C Compiler）是GNU推出的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的多平臺(tái)編譯器，是GNU的代表作品之一。gcc是可以在多種硬體平臺(tái)上編譯出可執(zhí)行程序的超級(jí)編譯器，其執(zhí)行效率與一般的編譯器相比平均效率要高20%~30%。
Gcc編譯器能將C、C++語(yǔ)言源程序、匯程式化序和目標(biāo)程序編譯、連接成可執(zhí)行文件，如果沒(méi)有給出可執(zhí)行文件的名字，gcc將生成一個(gè)名為a.out的文件。在Linux系統(tǒng)中，可執(zhí)行文件沒(méi)有統(tǒng)一的后綴，系統(tǒng)從文件的屬性來(lái)區(qū)分可執(zhí)行文件和不可執(zhí)行文件。而gcc則通過(guò)后綴來(lái)區(qū)別輸入文件的類別，下面我們來(lái)介紹gcc所遵循的部分約定規(guī)則。
.c為后綴的文件，C語(yǔ)言源代碼文件；
.a為后綴的文件，是由目標(biāo)文件構(gòu)成的檔案庫(kù)文件；
.C，.cc或.cxx 為后綴的文件，是C++源代碼文件；
.h為后綴的文件，是程序所包含的頭文件；
.i 為后綴的文件，是已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的C源代碼文件；
.ii為后綴的文件，是已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的C++源代碼文件；
.m為后綴的文件，是Objective-C源代碼文件；
.o為后綴的文件，是編譯后的目標(biāo)文件；
.s為后綴的文件，是匯編語(yǔ)言源代碼文件；
.S為后綴的文件，是經(jīng)過(guò)預(yù)編譯的匯編語(yǔ)言源代碼文件。
Gcc的執(zhí)行過(guò)程
雖然我們稱Gcc是C語(yǔ)言的編譯器，但使用gcc由C語(yǔ)言源代碼文件生成可執(zhí)行文件的過(guò)程不僅僅是編譯的過(guò)程，而是要經(jīng)歷四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的步驟∶預(yù)處理(也稱預(yù)編譯，Preprocessing)、編譯(Compilation)、匯編(Assembly)和連接(Linking)。
命令gcc首先調(diào)用cpp進(jìn)行預(yù)處理，在預(yù)處理過(guò)程中，對(duì)源代碼文件中的文件包含(include)、預(yù)編譯語(yǔ)句(如宏定義define等)進(jìn)行分析。接著調(diào)用cc1進(jìn)行編譯，這個(gè)階段根據(jù)輸入文件生成以.o為后綴的目標(biāo)文件。匯編過(guò)程是針對(duì)匯編語(yǔ)言的步驟，調(diào)用as進(jìn)行工作，一般來(lái)講，.S為后綴的匯編語(yǔ)言源代碼文件和匯編、.s為后綴的匯編語(yǔ)滑空液言文件經(jīng)過(guò)預(yù)編譯虧正和匯編之后都生成以.o為后綴的目標(biāo)文件。當(dāng)所有的目標(biāo)文件都生成之后，gcc就調(diào)用ld來(lái)完成最后的關(guān)鍵性工作，這個(gè)階段就是連接。在連接階段，所有的目標(biāo)文件被安排在可執(zhí)行程序中的恰當(dāng)?shù)奈恢?，同時(shí)，該程序所調(diào)用到的庫(kù)函數(shù)也從各自所在的檔案庫(kù)中連到合適的地方。
Gcc的基本用法和選項(xiàng)
在使用Gcc編譯器的時(shí)候，我們必須給出一系列必要的調(diào)用參數(shù)和文件名稱。Gcc編譯器的調(diào)用參數(shù)大約有100多個(gè)，其中多數(shù)參數(shù)我們可能根本就用不到，這里只介紹其中最基本、最常用的參數(shù)。
Gcc最基本的用法是∶gcc
其中options就是編譯器所需要的參數(shù)，filenames給出相關(guān)的文件名稱。
-c，只編譯，不連接成為可執(zhí)行文件，編譯器只是由輸入的.c等源代碼文件生成.o為后綴的目標(biāo)文件，通常用于編譯不包含主程序的子程序文件。
-o output_filename，確定輸出文件的名稱為output_filename，同時(shí)這個(gè)名稱不能和源文件同名。如果不給出這個(gè)選項(xiàng)，gcc就給出預(yù)設(shè)的可執(zhí)行文件a.out。
-g，產(chǎn)生符號(hào)調(diào)試工具(GNU的gdb)所必要的符號(hào)資訊，要想對(duì)源代碼進(jìn)行調(diào)試，我們就必須加入這個(gè)選項(xiàng)。
-O，對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化編譯、連接，采用這個(gè)選項(xiàng)，整個(gè)源代碼會(huì)在編譯、連接過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化處理，這樣產(chǎn)生的可執(zhí)行文件的執(zhí)行效率可以提高，但是，編譯、連接的速度就相應(yīng)地要慢一些。
-O2，比-O更好的優(yōu)化編譯、連接，當(dāng)然整個(gè)編譯、連接過(guò)程會(huì)更慢。
-Idirname，將dirname所指出的目錄加入到程序頭文件目錄列表中，是在預(yù)編譯過(guò)程中使用的參數(shù)。C程序中的頭文件包含兩種情況∶
A)#include
B)#include “myinc.h”
其中，A類使用尖括號(hào)()，B類使用雙引號(hào)(“ ”)。對(duì)于信物A類，預(yù)處理程序cpp在系統(tǒng)預(yù)設(shè)包含文件目錄(如/usr/include)中搜尋相應(yīng)的文件，而對(duì)于B類，cpp在當(dāng)前目錄中搜尋頭文件，這個(gè)選項(xiàng)的作用是告訴cpp，如果在當(dāng)前目錄中沒(méi)有找到需要的文件，就到指定的dirname目錄中去尋找。在程序設(shè)計(jì)中，如果我們需要的這種包含文件分別分布在不同的目錄中，就需要逐個(gè)使用-I選項(xiàng)給出搜索路徑。
-Ldirname，將dirname所指出的目錄加入到程序函數(shù)檔案庫(kù)文件的目錄列表中，是在連接過(guò)程中使用的參數(shù)。在預(yù)設(shè)狀態(tài)下，連接程序ld在系統(tǒng)的預(yù)設(shè)路徑中(如/usr/lib)尋找所需要的檔案庫(kù)文件，這個(gè)選項(xiàng)告訴連接程序，首先到-L指定的目錄中去尋找，然后到系統(tǒng)預(yù)設(shè)路徑中尋找，如果函數(shù)庫(kù)存放在多個(gè)目錄下，就需要依次使用這個(gè)選項(xiàng)，給出相應(yīng)的存放目錄。
-lname，在連接時(shí)，裝載名字為“l(fā)ibname.a”的函數(shù)庫(kù)，該函數(shù)庫(kù)位于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的目錄或者由-L選項(xiàng)確定的目錄下。例如，-lm表示連接名為“l(fā)ibm.a”的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。
上面我們簡(jiǎn)要介紹了gcc編譯器最常用的功能和主要參數(shù)選項(xiàng)，更為詳盡的資料可以參看Linux系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)幫助。
假定我們有一個(gè)程序名為test.c的C語(yǔ)言源代碼文件，要生成一個(gè)可執(zhí)行文件，最簡(jiǎn)單的辦法就是∶
gcc test.c
這時(shí)，預(yù)編譯、編譯連接一次完成，生成一個(gè)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的名為a.out的可執(zhí)行文件，對(duì)于稍為復(fù)雜的情況，比如有多個(gè)源代碼文件、需要連接檔案庫(kù)或者有其他比較特別的要求，就要給定適當(dāng)?shù)恼{(diào)用選項(xiàng)參數(shù)。再看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。
整個(gè)源代碼程序由兩個(gè)文件testmain.c 和testsub.c組成，程序中使用了系統(tǒng)提供的數(shù)學(xué)庫(kù)，同時(shí)希望給出的可執(zhí)行文件為test，這時(shí)的編譯命令可以是∶
gcc testmain.c testsub.c □lm □o test
其中，-lm表示連接系統(tǒng)的數(shù)學(xué)庫(kù)libm.a。
Gcc的錯(cuò)誤類型及對(duì)策
Gcc編譯器如果發(fā)現(xiàn)源程序中有錯(cuò)誤，就無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，也無(wú)法生成最終的可執(zhí)行文件。為了便于修改，gcc給出錯(cuò)誤資訊，我們必須對(duì)這些錯(cuò)誤資訊逐個(gè)進(jìn)行分析、處理，并修改相應(yīng)的語(yǔ)言，才能保證源代碼的正確編譯連接。gcc給出的錯(cuò)誤資訊一般可以分為四大類，下面我們分別討論其產(chǎn)生的原因和對(duì)策。
之一類∶C語(yǔ)法錯(cuò)誤
錯(cuò)誤資訊∶文件source.c中第n行有語(yǔ)法錯(cuò)誤(syntex errror)。這種類型的錯(cuò)誤，一般都是C語(yǔ)言的語(yǔ)法錯(cuò)誤，應(yīng)該仔細(xì)檢查源代碼文件中第n行及該行之前的程序，有時(shí)也需要對(duì)該文件所包含的頭文件進(jìn)行檢查。有些情況下，一個(gè)很簡(jiǎn)單的語(yǔ)法錯(cuò)誤，gcc會(huì)給出一大堆錯(cuò)誤，我們最主要的是要保持清醒的頭腦，不要被其嚇倒，必要的時(shí)候再參考一下C語(yǔ)言的基本教材。
第二類∶頭文件錯(cuò)誤
錯(cuò)誤資訊∶找不到頭文件head.h(Can not find include file head.h)。這類錯(cuò)誤是源代碼文件中的包含頭文件有問(wèn)題，可能的原因有頭文件名錯(cuò)誤、指定的頭文件所在目錄名錯(cuò)誤等，也可能是錯(cuò)誤地使用了雙引號(hào)和尖括號(hào)。
第三類∶檔案庫(kù)錯(cuò)誤
錯(cuò)誤資訊∶連接程序找不到所需的函數(shù)庫(kù)，例如∶
ld: -lm: No such file or directory
這類錯(cuò)誤是與目標(biāo)文件相連接的函數(shù)庫(kù)有錯(cuò)誤，可能的原因是函數(shù)庫(kù)名錯(cuò)誤、指定的函數(shù)庫(kù)所在目錄名稱錯(cuò)誤等，檢查的方法是使用find命令在可能的目錄中尋找相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)名，確定檔案庫(kù)及目錄的名稱并修改程序中及編譯選項(xiàng)中的名稱。
第四類∶未定義符號(hào)
錯(cuò)誤資訊∶有未定義的符號(hào)(Undefined symbol)。這類錯(cuò)誤是在連接過(guò)程中出現(xiàn)的，可能有兩種原因∶一是使用者自己定義的函數(shù)或者全局變量所在源代碼文件，沒(méi)有被編譯、連接，或者干脆還沒(méi)有定義，這需要使用者根據(jù)實(shí)際情況修改源程序，給出全局變量或者函數(shù)的定義體；二是未定義的符號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，在源程序中使用了該庫(kù)函數(shù)，而連接過(guò)程中還沒(méi)有給定相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)的名稱，或者是該檔案庫(kù)的目錄名稱有問(wèn)題，這時(shí)需要使用檔案庫(kù)維護(hù)命令ar檢查我們需要的庫(kù)函數(shù)到底位于哪一個(gè)函數(shù)庫(kù)中，確定之后，修改gcc連接選項(xiàng)中的-l和-L項(xiàng)。
排除編譯、連接過(guò)程中的錯(cuò)誤，應(yīng)該說(shuō)這只是程序設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)單、最基本的一個(gè)步驟，可以說(shuō)只是開(kāi)了個(gè)頭。這個(gè)過(guò)程中的錯(cuò)誤，只是我們?cè)谑褂肅語(yǔ)言描述一個(gè)算法中所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，是比較容易排除的。我們寫一個(gè)程序，到編譯、連接通過(guò)為止，應(yīng)該說(shuō)剛剛開(kāi)始，程序在運(yùn)行過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，是算法設(shè)計(jì)有問(wèn)題，說(shuō)得更玄點(diǎn)是對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解不夠，還需要更加深入地測(cè)試、調(diào)試和修改。一個(gè)程序，稍為復(fù)雜的程序，往往要經(jīng)過(guò)多次的編譯、連接和測(cè)試、修改。下面我們學(xué)習(xí)的程序維護(hù)、調(diào)試工具和版本維護(hù)就是在程序調(diào)試、測(cè)試過(guò)程中使用的，用來(lái)解決調(diào)測(cè)階段所出現(xiàn)的問(wèn)題。窗體頂端
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