如何編寫有利于編譯器優(yōu)化的代碼

在嵌入式開發(fā)中，代碼的體積和運(yùn)行效率非常重要，代碼體積往往和芯片的FLASH、RAM容量對(duì)應(yīng)，程序的運(yùn)行效率也要求在相應(yīng)能力的處理器上運(yùn)行。在大多數(shù)情況下，成熟的開發(fā)人員都希望降低代碼體積、提高代碼運(yùn)行效率，然而具體該怎么做呢？本篇文章將以國(guó)際知名編譯器廠商IAR Systems的編譯器為例，來(lái)解答開發(fā)人員在實(shí)際工作中常常遇到的問(wèn)題，工程師朋友們可以在IAR編譯器上進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，最終代碼的體積和效率取決于由編譯器生成的可執(zhí)行代碼，而非開發(fā)人員編寫的源代碼；但是源代碼的優(yōu)化，可以幫助編譯器生成更加優(yōu)質(zhì)的可執(zhí)行代碼。因此，開發(fā)人員不僅要從整體效率等因素上去構(gòu)思源代碼體系，也要高度關(guān)注編譯器的性能和編譯優(yōu)化的便捷性。

有優(yōu)化功能的編譯器可生成既小又快的可執(zhí)行代碼，編譯器是通過(guò)對(duì)源代碼的重復(fù)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。通常，編譯器優(yōu)化會(huì)遵循完善的數(shù)學(xué)或邏輯理論基礎(chǔ)。但是某些編譯優(yōu)化則是通過(guò)啟發(fā)式的方法，經(jīng)驗(yàn)表明，一些代碼轉(zhuǎn)換往往會(huì)產(chǎn)生更好的代碼，或者開拓出進(jìn)一步編譯優(yōu)化的空間。

編譯優(yōu)化只有少數(shù)情況依賴于編譯器的黑科技，大多數(shù)時(shí)候編寫源代碼的方式?jīng)Q定了程序是否可以被編譯器優(yōu)化。在某些情況下，即使對(duì)源代碼做微小改動(dòng)也會(huì)對(duì)編譯器生成的代碼效率產(chǎn)生重大影響。

本文將講述在編寫代碼時(shí)需要注意的事項(xiàng)，但我們首先應(yīng)明確一點(diǎn)，我們沒(méi)有必要盡量減少代碼量，因?yàn)榧词乖谝粋€(gè)表達(dá)式中使用 ?:- 表達(dá)式、后增量和逗號(hào)表達(dá)式來(lái)消除副作用，也不會(huì)使編譯器產(chǎn)生更有效的代碼。這只會(huì)使你的源代碼變得晦澀難懂，難以維護(hù)。例如在一個(gè)復(fù)雜的表達(dá)式中間加入一個(gè)后增量或賦值，則在讀代碼的時(shí)候很容易被忽略。請(qǐng)盡量用一種易于閱讀的風(fēng)格來(lái)編寫代碼。

循環(huán)

下面看似簡(jiǎn)單的循環(huán)會(huì)報(bào)錯(cuò)嗎？

for(i =0; i != n;++i)

{

a[i]= b[i];

}

雖然不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但其中有幾點(diǎn)會(huì)影響到編譯器生成的代碼效率。

例如，索引變量的類型應(yīng)與指針相匹配。

像 a[i] 這樣的數(shù)組表達(dá)式實(shí)際上是 *(&a[0]+i*sizeof(a[0])，或者通俗地說(shuō)：將第 i個(gè)元素的偏移量加到 a 的第一個(gè)元素的指針上。對(duì)于指針運(yùn)算， 索引表達(dá)式的類型最好與指針?biāo)赶虻念愋鸵恢拢╛_far 指針除外，因?yàn)槠渲羔標(biāo)赶虻念愋秃退饕磉_(dá)式的類型不同）。如果索引表達(dá)式的類型與指針?biāo)赶虻念愋筒黄ヅ?，那么在把它與指針相加之前，必須將它強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為正確的類型。

如果在應(yīng)用中，堆?？臻g資源（堆棧一般放在RAM中）比代碼尺寸資源（代碼一般放在ROM或者Flash中）更寶貴，則可以為索引變量選擇一個(gè)更小的類型來(lái)減少堆?？臻g的使用，但這往往會(huì)犧牲代碼尺寸和執(zhí)行時(shí)間（代碼尺寸變大，執(zhí)行時(shí)間變慢）。不僅如此，這種轉(zhuǎn)換也會(huì)妨礙循環(huán)代碼的優(yōu)化。

除上述問(wèn)題外，我們也要關(guān)注循環(huán)條件，因?yàn)橹挥性谶M(jìn)入循環(huán)之前可以計(jì)算出迭代次數(shù)的情況下，才可以進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化。然而，這項(xiàng)計(jì)算工作非常復(fù)雜，并非用最終值減去初始值并除以增量那么簡(jiǎn)單。例如，如果 i 是一個(gè)無(wú)符號(hào)字符，n 是一個(gè)整數(shù)，而 n 的值是 1000，那么會(huì)發(fā)生什么情況？答案是變量 i 在達(dá)到 1000 之前就會(huì)溢出。

雖然程序員肯定不想要一個(gè)無(wú)限循環(huán)，重復(fù)地將 256 個(gè)元素從 b 復(fù)制到 a，但是編譯器無(wú)法了解程序員的意圖。它必須假設(shè)最壞的情況，并且不能應(yīng)用需要在進(jìn)入循環(huán)之前提供行程數(shù)的優(yōu)化。此外，如果最終值是一個(gè)變量，您還應(yīng)該避免在循環(huán)條件中使用關(guān)系運(yùn)算符 <= 和 >=。如果循環(huán)條件是 i <= n，那么 n 有可能是該類型中可表示的最高值，因此編譯器必須假定這是一個(gè)潛在的無(wú)限循環(huán)。

別名

通常，我們不建議使用全局變量。這是因?yàn)槟稍诔绦虻娜魏蔚胤叫薷娜肿兞?，并且程序?huì)因全局變量的值而變化。這就會(huì)形成復(fù)雜的依賴關(guān)系，使人很難理解程序，也很難確定改變?nèi)肿兞康闹禃?huì)對(duì)程序產(chǎn)生怎樣的影響。從優(yōu)化器的角度來(lái)看，這種情況更糟糕，因?yàn)橥ㄟ^(guò)指針的存儲(chǔ)就可以改變?nèi)我馊肿兞康闹怠Ｈ绻芡ㄟ^(guò)多種方式訪問(wèn)一個(gè)變量，這種情況就會(huì)被稱為別名，而別名使代碼更難優(yōu)化。

char*buf

voidclear_buf()

{

int i;

for(i =0; i <128;++i)

{

buf[i]=0;

}

}

盡管程序員知道向 buf 所指向的緩存區(qū)進(jìn)行寫操作不會(huì)改變這個(gè)buf變量本身，但編譯器還是不得不做最壞的打算，在循環(huán)的每一次迭代中從內(nèi)存中重新加載 buf。

如果將緩存區(qū)的地址作為參數(shù)傳遞，而不是使用全局變量，則可以消除別名：

voidclear_buf(char*buf)

{

int i;

for(i =0; i <128;++i)

{

buf[i]=0;

}

}

使用這個(gè)解決方案后，指針 buf 就不會(huì)被通過(guò)指針的存儲(chǔ)影響。如此一來(lái)，指針 buf 在循環(huán)中就可以保持不變，其值只需在循環(huán)前加載一次即可，而不是在每次迭代時(shí)都要重新加載。

然而，如果需要在不共享調(diào)用者/被調(diào)用者關(guān)系的代碼段之間傳遞信息，則直接使用全局變量即可。但是，對(duì)于計(jì)算密集型任務(wù)，尤其是涉及指針操作時(shí)，最好使用自動(dòng)變量。

盡量不用后增量和后減量

在下文中，關(guān)于后增量的所有內(nèi)容也適用于后減量。C 語(yǔ)言中關(guān)于后增量語(yǔ)義的標(biāo)準(zhǔn)文本指出：“后綴 ++ 運(yùn)算符的結(jié)果是操作數(shù)的值。在得到結(jié)果后，操作數(shù)的值會(huì)遞增”。雖然微控制器普遍擁有可在加載或存儲(chǔ)操作后增加指針的尋址模式，但其中只有很少能以同樣的效率處理其他類型的后增量。為符合標(biāo)準(zhǔn)，編譯器必須在執(zhí)行增量之前將操作數(shù)復(fù)制到一個(gè)臨時(shí)變量。對(duì)于直線代碼來(lái)說(shuō)，可以從表達(dá)式中取出增量，然后放在表達(dá)式之后。比如以下表達(dá)式：

foo = a[i++];

可以改為

foo = a[i];

i = i +1;

但如果后增量屬于 while 循環(huán)中的條件，又會(huì)發(fā)生什么？由于在條件后面沒(méi)有可以插入增量的地方，因此必須在測(cè)試前添加增量。對(duì)于這些常見但是又與生成可執(zhí)行代碼效率密切相關(guān)的設(shè)計(jì)，諸如IAR Systems的Embedded Workbench這樣的工具都在總結(jié)了大量實(shí)踐后提供了優(yōu)化方案。

比如以下循環(huán)

i =0;

while(a[i++]!=0)

{

...

}

應(yīng)改為

loop:

temp = i;/* 保存操作數(shù)的值 */

i = temp +1;/* 遞增操作數(shù) */

if(a[temp]==0)/* 使用保存的值 */

goto no_loop;

...

goto loop;

no_loop:

或

loop:

temp = a[i];/* 使用操作數(shù)的值 */

i = i +1;/* 遞增操作數(shù) */

if(temp ==0)

goto no_loop;

...

goto loop;

no_loop:

如果循環(huán)后的 i 的值不相關(guān)，最好將增量放在循環(huán)內(nèi)。比如以下幾乎相同的循環(huán)

i =0;

while(a[i]!=0)

{

++i;

...

}

可以在沒(méi)有臨時(shí)變量的情況下執(zhí)行：

loop:

if(a[i]==0)

goto no_loop;

i = i +1;

...

goto loop;

no_loop:

優(yōu)化編譯器的開發(fā)者們很清楚后增量會(huì)使代碼編寫變得更復(fù)雜，盡管我們已盡力去識(shí)別這些模式，并盡量消除臨時(shí)變量，但總有一些情況使我們無(wú)法產(chǎn)生有效代碼，尤其是遇到比上述更復(fù)雜的循環(huán)條件時(shí)。通常，我們會(huì)將一個(gè)復(fù)雜的表達(dá)式分割成若干個(gè)更簡(jiǎn)單的表達(dá)式，就像上面的循環(huán)條件被分割成一個(gè)測(cè)試和一個(gè)增量那樣。

在 C++ 環(huán)境中，選擇前增量還是后增量的重要性更高。這是因?yàn)?operator++ 和 operator-- 都可以以前綴和后綴的形式重載。將運(yùn)算符作為類對(duì)象重載時(shí)，雖然沒(méi)必要模仿基本類型運(yùn)算符的行為，但也應(yīng)盡量接近。因此，對(duì)于那些可以直觀地對(duì)對(duì)象進(jìn)行遞增和遞減的類，例如迭代器，通常會(huì)有前綴（operator++() 和 operator--()）和后綴形式（operator++(int) 和 operator--(int)）。

為了模擬基本類型的前綴 ++ 的行為，operator++() 可以修改對(duì)象并返回對(duì)修改后對(duì)象的引用。那么模擬基本類型的后綴 ++ 的行為會(huì)怎樣？您還記得嗎？“后綴 ++ 運(yùn)算符的結(jié)果是操作數(shù)的值。在得到結(jié)果后，操作數(shù)的值會(huì)遞增”。就像上面的非直線代碼一樣，operator++(int) 的實(shí)現(xiàn)者必須復(fù)制原始對(duì)象，修改原始對(duì)象，并按值返回副本。由于存在復(fù)制操作，因此 operator++(int) 的開銷要高于 operator++()。

對(duì)于基本類型，如果忽略 i++ 的結(jié)果，優(yōu)化器通?？梢韵槐匾膹?fù)制，但優(yōu)化器不能將對(duì)一個(gè)重載運(yùn)算符的調(diào)用變?yōu)榱硪粋€(gè)。如果您出于習(xí)慣編寫 i++ 而不是 ++i，您就會(huì)調(diào)用開銷更大的增量運(yùn)算符。

雖然我們一直在反對(duì)使用后增量，但不得不承認(rèn)，后增量在有些情況下還是有用的。如果確實(shí)要給一個(gè)變量進(jìn)行后置增量操作，那就繼續(xù)吧。如果后增量操作和您期望的操作一致，可以使用后增量操作。但請(qǐng)注意，切勿為避免多寫一行代碼來(lái)遞增變量，而使用后增量操作。

每當(dāng)您在循環(huán)條件、if 條件、switch 表達(dá)式、?:- 表達(dá)式或函數(shù)調(diào)用參數(shù)中添加不必要的后增量時(shí)，都會(huì)使編譯器不得不生成更大、更慢的代碼。這個(gè)清單是不是太長(zhǎng)了，記不住？今天就開始培養(yǎng)好的習(xí)慣吧！在使用后增量操作前，先問(wèn)問(wèn)自己能不能把增量操作作為下一條語(yǔ)句。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)然，軟件開發(fā)工作并不是只要求開發(fā)人員去“將就”編譯器，他們與編譯器之間的相互協(xié)同是快速而高效地完成編程工作的基礎(chǔ)之一。此外，從編譯器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，它們不僅要跟隨技術(shù)和語(yǔ)言的演進(jìn)而迭代和創(chuàng)新，而且還要廣泛參考更多的開發(fā)習(xí)慣，那些歷史更悠久、使用更廣泛的編譯器可以為開發(fā)人員帶來(lái)更高的效率。

因此，在了解了如何編寫利于一款優(yōu)秀編譯器優(yōu)化的代碼之后，用戶們的工作效率就可以事半功倍。本文中提到的這些原理和tips，也是IAR Systems這樣的公司長(zhǎng)時(shí)間總結(jié)的最優(yōu)實(shí)踐，而且都可以在該公司的Embedded Workbench中進(jìn)行驗(yàn)證和探索，在其工具界面中可以查看代碼的執(zhí)行時(shí)間和代碼尺寸，從而找到最佳解決方案。

好的工具除了通用的代碼編譯優(yōu)化，還支持高度靈活的自定義優(yōu)化設(shè)置，如IAR Embedded Workbench包含針對(duì)運(yùn)行效率和代碼體積的不同優(yōu)化等級(jí)，對(duì)于不同的應(yīng)用需求，還可以設(shè)置從整個(gè)工程，到每個(gè)源代碼文件，甚至是每個(gè)函數(shù)的優(yōu)化等級(jí)，幫助工程師為自己的應(yīng)用適配出最佳的優(yōu)化方案。希望此篇文章對(duì)于開發(fā)人員更深度地了解程序優(yōu)化有所幫助。