GCC中-O1 -O2 -O3 优化的原理是什么?

做OI时候发现C++开了O2优化后可以在不超时的情况下随便用STL,非常好奇这是怎么实现的?
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9 个回答

俺来打个酱油。后面有谁来展开解答这个话题就功德无量了。
@vczh 大大讲了C++的语言和STL的一侧。这只覆盖了要优化的对象但没覆盖如何优化。
@空明流转 大大讲了编译器优化话题太巨大。话题是巨大,不过总有切入点。

楼主只是想大概知道些名词但不想太深入的话,可以先从GCC的文档入手:gcc.gnu.org/onlinedocs/
这份文档讲解了每层-O参数对应哪些具体的优化。每个具体的优化参数是“-f + 优化名”,例如-fdce的优化名是DCE,也就是dead code elimination。

知道优化的名字就可以去搜搜相关资料了。唯一的问题就是GCC用的这些优化名称可能跟教科书叫法不一样⋯ 例如-fmove-loop-invariant在其它资料里可能更多叫做loop-invariant code motion(LICM)。

更高层一点,还可以从文档中了解一下GCC的工作流程:gcc.gnu.org/onlinedocs/
一下内容摘自Using the GNU Compiler Collection (GCC)
一般来说,如果不指定优化标识的话,gcc就会产生可调试代码,每条指令之间将是独立的:可以在指令之间设置断点,使用gdb中的 p命令查看变量的值,改变变量的值等。并且把获取最快的编译速度作为它的目标。

当优化标识被启用之后,gcc编译器将会试图改变程序的结构(当然会在保证变换之后的程序与源程序语义等价的前提之下),以满足某些目标,如:代码大小最小或运行速度更快(只不过通常来说,这两个目标是矛盾的,二者不可兼得)。

在不同的gcc配置和目标平台下,同一个标识所采用的优化种类也是不一样的,这可以使用-Q --help =optimizers来获取每个优化标识所启用的优化选项。

下面每个-f**优化标识都可以在上述链接中找到解释


1.-O,-O1:
这两个命令的效果是一样的,目的都是在不影响编译速度的前提下,尽量采用一些优化算法降低代码大小和可执行代码的运行速度。并开启如下的优化选项:
-fauto-inc-dec 
-fbranch-count-reg 
-fcombine-stack-adjustments 
-fcompare-elim 
-fcprop-registers 
-fdce 
-fdefer-pop 
-fdelayed-branch 
-fdse 
-fforward-propagate 
-fguess-branch-probability 
-fif-conversion2 
-fif-conversion 
-finline-functions-called-once 
-fipa-pure-const 
-fipa-profile 
-fipa-reference 
-fmerge-constants 
-fmove-loop-invariants 
-freorder-blocks 
-fshrink-wrap 
-fshrink-wrap-separate 
-fsplit-wide-types 
-fssa-backprop 
-fssa-phiopt 
-fstore-merging 
-ftree-bit-ccp 
-ftree-ccp 
-ftree-ch 
-ftree-coalesce-vars 
-ftree-copy-prop 
-ftree-dce 
-ftree-dominator-opts 
-ftree-dse 
-ftree-forwprop 
-ftree-fre 
-ftree-phiprop 
-ftree-sink 
-ftree-slsr 
-ftree-sra 
-ftree-pta 
-ftree-ter 
-funit-at-a-time
2. -O2
该优化选项会牺牲部分编译速度,除了执行-O1所执行的所有优化之外,还会采用几乎所有的目标配置支持的优化算法,用以提高目标代码的运行速度。
-fthread-jumps 
-falign-functions  -falign-jumps 
-falign-loops  -falign-labels 
-fcaller-saves 
-fcrossjumping 
-fcse-follow-jumps  -fcse-skip-blocks 
-fdelete-null-pointer-checks 
-fdevirtualize -fdevirtualize-speculatively 
-fexpensive-optimizations 
-fgcse  -fgcse-lm  
-fhoist-adjacent-loads 
-finline-small-functions 
-findirect-inlining 
-fipa-cp 
-fipa-cp-alignment 
-fipa-bit-cp 
-fipa-sra 
-fipa-icf 
-fisolate-erroneous-paths-dereference 
-flra-remat 
-foptimize-sibling-calls 
-foptimize-strlen 
-fpartial-inlining 
-fpeephole2 
-freorder-blocks-algorithm=stc 
-freorder-blocks-and-partition -freorder-functions 
-frerun-cse-after-loop  
-fsched-interblock  -fsched-spec 
-fschedule-insns  -fschedule-insns2 
-fstrict-aliasing -fstrict-overflow 
-ftree-builtin-call-dce 
-ftree-switch-conversion -ftree-tail-merge 
-fcode-hoisting 
-ftree-pre 
-ftree-vrp 
-fipa-ra

3. -O3
该选项除了执行-O2所有的优化选项之外,一般都是采取很多向量化算法,提高代码的并行执行程度,利用现代CPU中的流水线,Cache等。
-finline-functions      // 采用一些启发式算法对函数进行内联
-funswitch-loops        // 执行循环unswitch变换
-fpredictive-commoning  // 
-fgcse-after-reload     //执行全局的共同子表达式消除
-ftree-loop-vectorize   // 
-ftree-loop-distribute-patterns
-fsplit-paths 
-ftree-slp-vectorize
-fvect-cost-model
-ftree-partial-pre
-fpeel-loops 
-fipa-cp-clone options
这个选项会提高执行代码的大小,当然会降低目标代码的执行时间。

4. -Os
这个优化标识和-O3有异曲同工之妙,当然两者的目标不一样,-O3的目标是宁愿增加目标代码的大小,也要拼命的提高运行速度,但是这个选项是在-O2的基础之上,尽量的降低目标代码的大小,这对于存储容量很小的设备来说非常重要。
为了降低目标代码大小,会禁用下列优化选项,一般就是压缩内存中的对齐空白(alignment padding)
-falign-functions  
-falign-jumps  
-falign-loops 
-falign-labels
-freorder-blocks  
-freorder-blocks-algorithm=stc 
-freorder-blocks-and-partition  
-fprefetch-loop-arrays
5. -Ofast:
该选项将不会严格遵循语言标准,除了启用所有的-O3优化选项之外,也会针对某些语言启用部分优化。如:-ffast-math ,对于Fortran语言,还会启用下列选项:
-fno-protect-parens 
-fstack-arrays
6.-Og:
该标识会精心挑选部分与-g选项不冲突的优化选项,当然就能提供合理的优化水平,同时产生较好的可调试信息和对语言标准的遵循程度。