使用-O2可以減少氣泡排序C程序的時間

Question

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

void sort();

int main() {
    int i;
    for (i = 0; i < 100000; i++) {
        sort();
    }
}

void sort() {
    int i, j, k, array[100], l = 99, m;
    for (i = 0; i < 100; i++) {
        array[i] = rand() % 1000 + 1;
    }
    for (k = 0; k < 99; k++) {
        for (j = 0; j < l; j++) {
            if (array[j + 1] > array[j]) {
                int temp = array[j];
                array[j] = array[j + 1];
                array[j + 1] = temp;
            }
        }
        l--;
    }
    for (m = 0; m < 100; m++) {
        printf("%d ", array[m]);
    }
}

在linux shell上， gcc sort -o sort.c然后time ./sort >> out 。 在這里，如果我執行gcc -o2 sort -o sort.c以及類似的o3和o4那么時間將繼續減少。 優化選項如何工作？ 請解釋所有實時，用戶時間和系統時間。

PS：代碼可能效率不高。 請忽略這一點。

Answer 1

優化選項在讀取源代碼和將二進制指令寫入CPU之間起作用。

GCC是一個多階段編譯器，其中的階段大致包括：

1. 從輸入文本創建“令牌”。
2. 將這些標記排列成抽象語法樹結構。
3. 修剪抽象語法樹。
4. 假設CPU寄存器數量無限，創建基於寄存器的指令。
5. 將寄存器映射到可用的實際寄存器中。
6. 以加載程序的預期格式寫出二進制信息。

優化會影響許多位置，通常它們會在上述步驟3到5中生效。有許多優化，包括：

• 恆定折疊-預先評估恆定的子表達式。
• 降低強度–用更快的速度代替慢速操作。
• 空序列–刪除無用的操作。
• 合並操作–用一個等效項替換多個操作。
• 代數定律–使用代數定律來簡化或重新排列說明。
• 特殊情況說明–使用為特殊操作數情況設計的說明。
• 地址模式操作–使用地址模式簡化代碼。
• 循環展開-用等效指令替換循環
• 部分循環展開-減少循環的次數，同時保留整體功能。

請注意，這些並不是所有可能執行的優化，但它開始為您提供一個思路。

例如，如果編譯器看到

int s = 3;
while (s < 6) {
   printf("%d\n", s);
   s++;
}

並且將這些標志設置為展開循環，那么它可能會寫入與

printf("%d\n", 3);
printf("%d\n", 4);
printf("%d\n", 5);

這些指令對我們來說似乎比較羅more，但CPU命令可能更小，因為無需“查找”現在擦除的s值，也不需要向其添加一個值或存儲新的值。更新后的值返回到RAM。

GCC將優化分為“安全”到“風險”兩大類。 -O2是速度和安全性之間的良好折衷。 -O數越高，風險越高。

Answer 2

-O代表optimize ，其中gcc將自動采取必要的步驟來優化您的程序。 您可以在此處閱讀有關GCC優化程序的具體步驟的更多信息： https : //gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html

但實際上-O2比-O1更優化， -O3比-O2更優化。 在編譯的二進制大小方面，這可能會帶來一些缺陷，在這種情況下，生成的二進制文件可能會占用更多空間，但運行速度更快，反之亦然。 您實際上可以將代碼粘貼到https://godbolt.org/ ，並在-O1或下拉菜單旁邊的任何優化選項中進行選擇，以選擇編譯器，然后godbolt會向您顯示生成的代碼。 您將能夠看到O1和O2之間的區別，即O2生成的代碼可能更短，並且將使用許多快捷方式來執行算法。

Answer 3

-O編譯器標志控制希望編譯器執行的編譯器優化量。 簡而言之，構建項目將花費更長的時間，但是生成的可執行文件應該更快。 有關更多信息，請在命令提示符下鍵入man gcc或gcc -c -Q -O3 --help=optimizers以獲取有關針對特定標志執行的gcc -c -Q -O3 --help=optimizers的特定信息。

Answer 4

gcc提供了許多優化標志。 您可以在此處查看每個人的具體操作：

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html

總是需要在優化上進行權衡，要么增加編譯時間，要么增加內存使用量，等等。

-o2標志啟用了許多優化，因此可能尚不清楚哪些特定的優化會影響排序。 可以使用-falign-loops標志，而不是-o2來單獨嘗試每種優化，以查看是否可以提高性能。