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.NET 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Streaming 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。
结论
VC.NET 2003引入了两个新的优化选项，同时也改进了VC.NET 2002中的几个优化的性能，希望你能通过VC.NET 2003的优化选项来提高你程序的质量，ok， enjoy it!
