Linux操作系统中GCC的应用介绍(下)

代码优化

代码优化指的是编译器通过分析源代码，找出其中尚未达到最优的部分，然后对其重新进行组合，目的是改善程序的执行性能。GCC提供的代码优化功能非常强大，它通过编译选项-On来控制优化代码的生成，其中n是一个代表优化级别的整数。对于不同版本的GCC来讲，n的取值范围及其对应的优化效果可能并不完全相同，比较典型的范围是从0变化到2或3。

编译时使用选项-O可以告诉 GCC同时减小代码的长度和执行时间，其效果等价于-O1。在这一级别上能够进行的优化类型虽然取决于目标处理器，但一般都会包括线程跳转（Thread Jump）和延迟退栈（Deferred Stack Pops）两种优化。选项-O2告诉GCC除了完成所有-O1级别的优化之外，同时还要进行一些额外的调整工作，如处理器指令调度等。选项-O3则除了完成所有-O2级别的优化之外，还包括循环展开和其它一些与处理器特性相关的优化工作。通常来说，数字越大优化的等级越高，同时也就意味着程序的运行速度越快。许多Linux程序员都喜欢使用-O2选项，因为它在优化长度、编译时间和代码大小之间，取得了一个比较理想的平衡点。

下面通过具体实例来感受一下GCC的代码优化功能，所用程序如清单3所示。

清单3：optimize.c

#include 
int main(void)
{
double counter;
double result;
double temp;
for (counter = 0;
counter < 2000.0 * 2000.0 * 2000.0 / 20.0 + 2020;
counter += (5 - 1) / 4) {
temp = counter / 1979;
result = counter;
}
printf("Result is %lf\n", result);
return 0;
}

首先不加任何优化选项进行编译：

# gcc -Wall optimize.c -o optimize

借助Linux提供的time命令，可以大致统计出该程序在运行时所需要的时间：

# time ./optimize
Result is 400002019.000000
real 0m14.942s
user 0m14.940s
sys 0m0.000s

接下去使用优化选项来对代码进行优化处理：

# gcc -Wall -O optimize.c -o optimize

在同样的条件下再次测试一下运行时间：

# time ./optimize
Result is 400002019.000000
real 0m3.256s
user 0m3.240s
sys 0m0.000s

对比两次执行的输出结果不难看出，程序的性能的确得到了很大幅度的改善，由原来的14秒缩短到了3秒。这个例子是专门针对GCC的优化功能而设计的，因此优化前后程序的执行速度发生了很大的改变。尽管GCC的代码优化功能非常强大，但作为一名优秀的Linux程序员，首先还是要力求能够手工编写出高质量的代码。如果编写的代码简短，并且逻辑性强，编译器就不会做更多的工作，甚至根本用不着优化。 {{分页}}

优化虽然能够给程序带来更好的执行性能，但在如下一些场合中应该避免优化代码：

◆ 程序开发的时候 优化等级越高，消耗在编译上的时间就越长，因此在开发的时候最好不要使用优化选项，只有到软件发行或开发结束的时候，才考虑对最终生成的代码进行优化。

◆ 资源受限的时候 一些优化选项会增加可执行代码的体积，如果程序在运行时能够申请到的内存资源非常紧张（如一些实时嵌入式设备），那就不要对代码进行优化，因为由这带来的负面影响可能会产生非常严重的后果。

◆ 跟踪调试的时候 在对代码进行优化的时候，某些代码可能会被删除或改写，或者为了取得更佳的性能而进行重组，从而使跟踪和调试变得异常困难。

调试

一个功能强大的调试器不仅为程序员提供了跟踪程序执行的手段，而且还可以帮助程序员找到解决问题的方法。对于Linux程序员来讲，GDB（GNU Debugger）通过与GCC的配合使用，为基于Linux的软件开发提供了一个完善的调试环境。

默认情况下，GCC在编译时不会将调试符号插入到生成的二进制代码中，因为这样会增加可执行文件的大小。如果需要在编译时生成调试符号信息，可以使用GCC 的-g或者-ggdb选项。GCC在产生调试符号时，同样采用了分级的思路，开发人员可以通过在-g选项后附加数字1、2或3来指定在代码中加入调试信息的多少。默认的级别是2（-g2），此时产生的调试信息包括扩展的符号表、行号、局部或外部变量信息。级别3（-g3）包含级别2中的所有调试信息，以及源代码中定义的宏。级别1（-g1）不包含局部变量和与行号有关的调试信息，因此只能够用于回溯跟踪和堆栈转储之用。回溯跟踪指的是监视程序在运行过程中的函数调用历史，堆栈转储则是一种以原始的十六进制格式保存程序执行环境的方法，两者都是经常用到的调试手段。

GCC产生的调试符号具有普遍的适应性，可以被许多调试器加以利用，但如果使用的是GDB，那么还可以通过-ggdb选项在生成的二进制代码中包含GDB专用的调试信息。这种做法的优点是可以方便GDB的调试工作，但缺点是可能导致其它调试器（如DBX）无法进行正常的调试。选项-ggdb能够接受的调试级别和-g是完全一样的，它们对输出的调试符号有着相同的影响。

需要注意的是，使用任何一个调试选项都会使最终生成的二进制文件的大小急剧增加，同时增加程序在执行时的开销，因此调试选项通常仅在软件的开发和调试阶段使用。调试选项对生成代码大小的影响从下面的对比过程中可以看出来：

# gcc optimize.c -o optimize
# ls optimize -l
-rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 11649 Nov 20 08:53 optimize (未加调试选项)
# gcc -g optimize.c -o optimize
# ls optimize -l
-rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 15889 Nov 20 08:54 optimize (加入调试选项)

虽然调试选项会增加文件的大小，但事实上Linux中的许多软件在测试版本甚至最终发行版本中仍然使用了调试选项来进行编译，这样做的目的是鼓励用户在发现问题时自己动手解决，是Linux的一个显著特色。

下面还是通过一个具体的实例说明如何利用调试符号来分析错误，所用程序见清单4所示。

清单4：crash.c

#include 
int main(void)
{
int input =0;
printf("Input an integer:");
scanf("%d", input);
printf("The integer you input is %d\n", input);
return 0;
}

编译并运行上述代码，会产生一个严重的段错误（Segmentation fault）如下：

# gcc -g crash.c -o crash
# ./crash
Input an integer:10
Segmentation fault

为了更快速地发现错误所在，可以使用GDB进行跟踪调试，方法如下：

# gdb crash
GNU gdb Red Hat Linux (5.3post-0.20021129.18rh)
……
(gdb)

当GDB提示符出现的时候，表明GDB已经做好准备进行调试了，现在可以通过run命令让程序开始在GDB的监控下运行：

(gdb) run
Starting program: /home/xiaowp/thesis/gcc/code/crash
Input an integer:10

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6

仔细分析一下GDB给出的输出结果不难看出，程序是由于段错误而导致异常中止的，说明内存操作出了问题，具体发生问题的地方是在调用_IO_vfscanf_internal ( )的时候。为了得到更加有价值的信息，可以使用GDB提供的回溯跟踪命令backtrace，执行结果如下：

(gdb) backtrace
#0 0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6
#1 0xbffff0c0 in ?? ()
#2 0x4008e0ba in scanf () from /lib/libc.so.6
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
#4 0x40042917 in __libc_start_main () from /lib/libc.so.6

跳过输出结果中的前面三行，从输出结果的第四行中不难看出，GDB已经将错误定位到crash.c中的第11行了。现在仔细检查一下：

(gdb) frame 3
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
11 scanf("%d", input);

使用GDB提供的frame命令可以定位到发生错误的代码段，该命令后面跟着的数值可以在backtrace命令输出结果中的行首找到。现在已经发现错误所在了，应该将

scanf("%d", input);
改为
scanf("%d", &input);

完成后就可以退出GDB了，命令如下：

(gdb) quit

GDB的功能远远不止如此，它还可以单步跟踪程序、检查内存变量和设置断点等。

调试时可能会需要用到编译器产生的中间结果，这时可以使用-save-temps选项，让GCC将预处理代码、汇编代码和目标代码都作为文件保存起来。如果想检查生成的代码是否能够通过手工调整的办法来提高执行性能，在编译过程中生成的中间文件将会很有帮助，具体情况如下：

# gcc -save-temps foo.c -o foo
# ls foo*
foo foo.c foo.i foo.s

GCC 支持的其它调试选项还包括-p和-pg，它们会将剖析（Profiling）信息加入到最终生成的二进制代码中。剖析信息对于找出程序的性能瓶颈很有帮助，是协助Linux程序员开发出高性能程序的有力工具。在编译时加入-p选项会在生成的代码中加入通用剖析工具（Prof）能够识别的统计信息，而- pg选项则生成只有GNU剖析工具（Gprof）才能识别的统计信息。

最后提醒一点，虽然GCC允许在优化的同时加入调试符号信息，但优化后的代码对于调试本身而言将是一个很大的挑战。代码在经过优化之后，在源程序中声明和使用的变量很可能不再使用，控制流也可能会突然跳转到意外的地方，循环语句有可能因为循环展开而变得到处都有，所有这些对调试来讲都将是一场噩梦。建议在调试的时候最好不使用任何优化选项，只有当程序在最终发行的时候才考虑对其进行优化。