我如何理解-O3的优化？

Question

我现在有两个函数A和B。

在没有任何标志的情况下编译时，A比B快。

但在用-O1或-O3编译时，B比A快得多。

我希望将函数移植到其他语言，因此A似乎是一个更好的选择。

但是，如果我能够理解-O3如何能够加快B函数的速度，那就太好了。有什么好的方法至少可以稍微了解一下-O3所做的优化吗？

Answer 1

-O3的功能与-O2相同，并且：

• 功能的内联部分。
• 执行函数克隆，使过程间常量传播更强。
• 在石墨外进行回路交换。这可以提高循环嵌套上的缓存性能，并允许进行进一步的循环优化，比如向量化。例如，循环：

for (int i = 0; i < N; i++)
  for (int j = 0; j < N; j++)
    for (int k = 0; k < N; k++)
      c[i][j] = c[i][j] + a[i][k]*b[k][j];

被转换成

for (int i = 0; i < N; i++)
  for (int k = 0; k < N; k++)
    for (int j = 0; j < N; j++)
      c[i][j] = c[i][j] + a[i][k]*b[k][j];

• 在可行的循环上应用展开和阻塞变换。在循环嵌套中，通过某种因素展开外部循环，并将产生的多个内部循环融合。
• 有足够的信息，他们没有滚动太多的皮环。它还开启了完全循环剥离(即完全删除循环，迭代次数较少)。
• 执行预测的共通优化，即重用在以前循环迭代中执行的计算(特别是内存负载和存储)。
• 分裂的路径，导致循环支撑。这可以改进死代码消除和常见子表达式消除。
• 提高大循环体上的缓存性能，并允许进行进一步的循环优化，如并行化或向量化。
• 将具有循环不变条件的分支移出循环，并在两个分支上重复循环(根据条件的结果修改)。
• 如果循环以变量步长在数组上迭代，则创建另一个假设步长始终为1的循环版本。例如：

for (int i = 0; i < n; ++i)
  x[i * stride] = …;

变成：

if (stride == 1)
  for (int i = 0; i < n; ++i)
    x[i] = …;
else
  for (int i = 0; i < n; ++i)
    x[i * stride] = …;

例如，以下代码：

unsigned long apply(unsigned long (*f)(unsigned long, unsigned long), unsigned long a, unsigned long b, unsigned long c) {
    for (unsigned long i = 0; i < b; i++)
        c = f(c, a);
    return c;
}

unsigned long inc(unsigned long a, unsigned long b) { return a + 1; }
unsigned long add(unsigned long a, unsigned long b) { return apply(inc, 0, b, a); }

优化add函数以：

英特尔语法

add:
  lea rax, [rsi+rdi]
  ret

AT&T

add:
  leaq (%rsi,%rdi), %rax
  ret

如果没有-O3输出，则为：

英特尔语法

add:
  push rbp
  mov rbp, rsp
  sub rsp, 16
  mov QWORD PTR [rbp-8], rdi
  mov QWORD PTR [rbp-16], rsi
  mov rdx, QWORD PTR [rbp-8]
  mov rax, QWORD PTR [rbp-16]
  mov rcx, rdx
  mov rdx, rax
  mov esi, 0
  mov edi, OFFSET FLAT:inc
  call apply
  leave
  ret

AT&T

add:
  pushq %rbp
  movq %rsp, %rbp
  subq $16, %rsp
  movq %rdi, -8(%rbp)
  movq %rsi, -16(%rbp)
  movq -8(%rbp), %rdx
  movq -16(%rbp), %rax
  movq %rdx, %rcx
  movq %rax, %rdx
  movl $0, %esi
  movl $inc, %edi
  call apply
  leave
  ret

您可以使用标志和-masm=intel比较函数A、和B的输出汇编程序。

这个答案是基于http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html的，你可以从中学到更多。

Answer 2

问题是

有什么好的方法至少可以稍微了解一下-O3所做的优化吗？

显然，我的意图是在不考虑实际代码的一般意义下回答这个问题，我看到的最好的答案是推荐阅读编译器的文档，特别是关于优化的文档。

虽然GCC执行的每一个优化都有相应的选项标志，但大多数都是这样。文档指定在每个级别根据这些标志执行哪些优化，并指定每个单个标志意味着什么。这些解释中使用的一些术语可能是不熟悉的，但您至少应该能够收集到“稍微理解一下”。请在优化文档的最顶端开始阅读。