【C】认识GCC的链接时间优化

0xAA55 · 发表于 2018-5-24 08:18:03

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gcc的链接时间优化（-flto -fuse-linker-plugin）是很强的优化（配合-O2或-O3），可以实现跨obj文件优化。也就是说，假设你的程序有foo.c和bar.c两个源码文件，你在foo.c里面写了一个简短函数，它可以被bar.c内联。

原理上gcc是在编译单个obj的时候，解析你的.c，记住你的逻辑，然后存为类似java、.net那样的字节码，并以“附加数据”的方式附加到obj（虽说是elf格式）中间文件里。在编译时间gcc只是读取你源码里面的逻辑部分，并没有生成实际的机器指令。这依然可以是一种节省编译时间的方案，因为解析源码需要先经过预处理，再解析各种名字长短不一的类型、变量或函数等。

在链接的时候，你要用gcc来链接，而不是ld。你同样需要把-O3 -flto -fuse-linker-plugin告诉给你的gcc，然后用-Xlinker去传递你的链接器参数，包括链接器脚本等。经过我的实际测试，我发现在开启了链接时间优化后，编译的速度大幅上升，而链接的速度并没有明显下降，并且优化的效果非常显著。我在使用gcc arm toolchain编译STM32程序的时候，它确实把STM32外设驱动提供的函数都内联了，并且删掉了多余的东西。

观察一个编译器优化效果的最好办法，就是直接看编译器输出的bin。我把链接后得到的elf丢进IDA以后，就可以直接看到它的逻辑了。那些标红的部分，是代码里面通过直接写绝对地址来对外设寄存器进行操作的部分。这里面包括了清空.bss段、从ROM复制.data段到RAM的过程（这部分是我写的），以及SystemInit();内部的所有过程（升频、把频率值写到一个全局变量里给你看、以及对各种外设的初始化等）（这个就是STM32外设驱动带的东西了）。

为什么要进行链接时间优化呢？简要来说是以下的原因：

在编译时间，编译器只知道当前obj里面的函数、变量等，不知道别的obj的情况。这导致优化的效果受到的局限性较大，因为编译器并不知道别的obj提供的函数是个什么情况。你调用别的obj的过程就像调用API那样，不得不按照调用约定来严格调用，这是保证代码可以正确运行的必要过程。

你写C的时候一定会把声明放到头文件，实现放到obj（.c）里面吧？对于编译器，万一你声明的这个函数所在的obj并不是用同一个编译器编译的呢？在这种情况下，调用约定统一了二进制接口，保证你可以把多个不同编译器生成的bin组装到一起（这就是所谓的“链接”了），来实现模块化开发。

然而实际的情况就是，你的编译器就是GCC，你用不着混合多个编译器来开发，而且你拥有你的每个模块的源码。

编译器无法做到跨文件的优化，对于全局变量、非static的空函数等（你也许觉得你肯定不会瞎写什么空函数），编译器并不能拿定主意决定要不要保留它，于是就都保留了。
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你封装的模块，随着不断地升级、进化，有的函数被取缔，有的函数只做非常简单的赋值（比如初始化、各种属性set/get等，比如你的对象的构造、析构等。注意C语言也经常有这种情况）。为了兼容旧的调用者，那些被取缔的函数依然要保留，只不过它的实现部分啥都不做。

然而如果每次调用者都call/bl你的空函数，导致你的bin里面有各种call->ret、bl->bx lr（调用后直接返回），这难道不是很蠢嘛？“你妈叫你回家吃饭！”->“你回来啦？我逗你的，你妈今晚在外面吃”

以及之前说的简单赋值，call->mov->ret无非多了些mov而已，还不如直接内联呢。然而跨obj了，对于编译器而言，它并不知道别的obj里面这函数只是几个mov和一个ret，所以依然还是老老实实地排列参数，并进行一次正式的函数调用。生活中太细节的东西就用不着这么讲究仪式感了吧，更何况这并不是“生活”。
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然后你意识到这太蠢了。怎么办呢？你要自己亲自把这些简短的函数写成“宏函数”，比如 #define RGB(r,g,b) ((((r) & 0xFF) << 16)|(((g) & 0xFF) << 8)|((b) & 0xFF)) 这种样子的。或者，用inline、static等，然后在头文件里定义这些函数的实现部分。

我确实这么做过，结果仔细一想，我为啥非要自己判断我的函数会被编译器编译成什么样子呢？这难道不是编译器的工作嘛？事实上，在C++，很多的类构造和析构写起来都很简短（“无非搞了个局部变量嘛”），然而真正展开后，它还是复杂得吓人的，并且这类函数会因为过长而内联失败。

我还发现了一个严重的问题，那就是有的函数它最终被编译出来的指令还是非常长的，长到以至于不适合被内联。这还分两种情况，一种是我用#define实现了这个“函数”，另一种是我用inline、static等实现了这个函数。然而对于前者（#define的情况），它确实必定被“内联”（预处理器帮它强行内联），然而最终我得到的bin非常啰嗦、冗长。对于后者（inline或static的情况），如果一个函数太长，编译器“觉得”它不应该被内联的话，那我只要在obj里面调用了它，这个obj里面就会有这个函数的bin。那也就是说，我在多个obj里面调用这个被内联失败的函数的话，我就会得到多个这个函数的bin。这同样很蠢，你有几个obj你就有几个这种函数的副本，很多100 MB以上的exe我丢到IDA里面一看，确实就是这么一回事儿。
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由于以上的特性，写Java、C#的人会得瑟，认为你很蠢。因为Java、C#生成的字节码可以在运行的时候进行JIT编译，这个过程就像一次全程序编译一样，可以让编译器进行全程序优化。

而且你要是写C的功底不够强，被各种指针问题、内存问题困扰的话，对方就更得瑟了。怎能如此丢脸呢？
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那假设我把所有的函数实现都写到头文件里，然后我只有main.c（或main.cpp），它包含了所有头文件、所有函数的声明和实现，是不是就没有这些担忧了呢？

确实如此。

然而如果你的工程够大，编译一次你大概得花很久，这不是一杯咖啡两杯咖啡的问题，而是一边写，一边调试、编译的情况，你的耐心会被很快消磨殆尽，并且被挫败感充斥。
“兄弟你这里是不是忘了打一个分号啊？”
“哦对啊。卧槽，白等了一上午了。”
于是你默默地补了个分号，然后重新开始编译，并且在等了5小时后编译成功，并且它依然有各种各样的B
U
G。看着这些代码，你大概是相当痛苦的。毕竟每次编译都要等5小时……
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所以，有了链接时间优化的话，你就可以在不牺牲编译速度的情况下，实现全程序优化了。

完。

但你要注意，如果你要把你的现有工程改为使用链接时间优化的编译方式的话，你要把你的所有的写在头文件的inline宏函数，转移到一个obj里面，否则在链接时间，GCC会告诉你，你的各种obj文件都有这个函数，冲突了。不给你链接。
所以你要老老实实地把声明写到头文件，把实现写到obj（.c、.cpp等），然后祈祷链接时间优化带你超神吧。

顺带介绍一个。clang，llvm，是一款通过把C系源码编译为字节码，然后把字节码优化编译为bin，或者，直接JIT解释＋编译运行字节码的平台以及工具集。据说很棒，值得一试。

参考资料：
编写快得像宏一样的内联函数
htt

ps

://gcc.gnu.org/

on

linedocs/gcc/Inline.h

l
GCC优化选项

ze-Options.html
注意看-flto的部分。