如何編寫有利于編譯器優(yōu)化的代碼

在嵌入式開發(fā)中，代碼的體積和運行效率非常重要，代碼體積往往和芯片的FLASH、RAM容量對應(yīng)，程序的運行效率也要求在相應(yīng)能力的處理器上運行。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、提高代碼運行效率，然而具體該怎么做呢？本篇文章將以國際知名編譯器廠商IAR Systems的編譯器為例，來解答開發(fā)人員在實際工作中常常遇到的問題，工程師朋友們可以在IAR編譯器上進(jìn)行實踐驗證。

對于嵌入式系統(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，編譯器是通過對源代碼的重復(fù)轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)優(yōu)化。通常，編譯器優(yōu)化會遵循完善的數(shù)學(xué)或邏輯理論基礎(chǔ)。但是某些編譯優(yōu)化則是通過啟發(fā)式的方法，經(jīng)驗表明，一些代碼轉(zhuǎn)換往往會產(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，即使對源代碼做微小改動也會對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需要注意的事項，但我們首先應(yīng)明確一點，我們沒有必要盡量減少代碼量，因為即使在一個表達(dá)式中使用 ?:- 表達(dá)式、后增量和逗號表達(dá)式來消除副作用，也不會使編譯器產(chǎn)生更有效的代碼。這只會使你的源代碼變得晦澀難懂，難以維護(hù)。例如在一個復(fù)雜的表達(dá)式中間加入一個后增量或賦值，則在讀代碼的時候很容易被忽略。請盡量用一種易于閱讀的風(fēng)格來編寫代碼。

循環(huán)

下面看似簡單的循環(huán)會報錯嗎？

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

{

a[i] = b[i];

}

雖然不會報錯，但其中有幾點會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)式實際上是 *(&a[0]+i*sizeof(a[0])，或者通俗地說：將第 i個元素的偏移量加到 a 的第一個元素的指針上。對于指針運算， 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，因為其指針?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更小的類型來減少堆?？臻g的使用，但這往往會犧牲代碼尺寸和執(zhí)行時間（代碼尺寸變大，執(zhí)行時間變慢）。不僅如此，這種轉(zhuǎn)換也會妨礙循環(huán)代碼的優(yōu)化。

除上述問題外，我們也要關(guān)注循環(huán)條件，因為只有在進(jìn)入循環(huán)之前可以計算出迭代次數(shù)的情況下，才可以進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化。然而，這項計算工作非常復(fù)雜，并非用最終值減去初始值并除以增量那么簡單。例如，如果 i 是一個無符號字符，n 是一個整數(shù)，而 n 的值是 1000，那么會發(fā)生什么情況？答案是變量 i 在達(dá)到 1000 之前就會溢出。

雖然程序員肯定不想要一個無限循環(huán)，重復(fù)地將 256 個元素從 b 復(fù)制到 a，但是編譯器無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，如果最終值是一個變量，您還應(yīng)該避免在循環(huán)條件中使用關(guān)系運算符 <= 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潛在的無限循環(huán)。

別名

通常，我們不建議使用全局變量。這是因為您可在程序的任何地方修改全局變量，并且程序會因全局變量的值而變化。這就會形成復(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Τ绦虍a(chǎn)生怎樣的影響。從優(yōu)化器的角度來看，這種情況更糟糕，因為通過指針的存儲就可以改變?nèi)我馊肿兞康闹?。如果能通過多種方式訪問一個變量，這種情況就會被稱為別名，而別名使代碼更難優(yōu)化。

char *buf

void clear_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)行寫操作不會改變這個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：

void clear_buf(char *buf)

{

 int i;

 for (i = 0; i < 128; ++i)

 {

 buf[i] = 0;

 }

}

使用這個解決方案后，指針 buf 就不會被通過指針的存儲影響。如此一來，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，對于計算密集型任務(wù)，尤其是涉及指針操作時，最好使用自動變量。

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 語言中關(guān)于后增量語義的標(biāo)準(zhǔn)文本指出：“后綴 ++ 運算符的結(jié)果是操作數(shù)的值。在得到結(jié)果后，操作數(shù)的值會遞增”。雖然微控制器普遍擁有可在加載或存儲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)制到一個臨時變量。對于直線代碼來說，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，又會發(fā)生什么？由于在條件后面沒有可以插入增量的地方，因此必須在測試前添加增量。對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，諸如IAR Systems的Embedded Workbench這樣的工具都在總結(jié)了大量實踐后提供了優(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;

...

}

可以在沒有臨時變量的情況下執(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使代碼編寫變得更復(fù)雜，盡管我們已盡力去識別這些模式，并盡量消除臨時變量，但總有一些情況使我們無法產(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。通常，我們會將一個復(fù)雜的表達(dá)式分割成若干個更簡單的表達(dá)式，就像上面的循環(huán)條件被分割成一個測試和一個增量那樣。

在 C++ 環(huán)境中，選擇前增量還是后增量的重要性更高。這是因為 operator++ 和 operator-- 都可以以前綴和后綴的形式重載。將運算符作為類對象重載時，雖然沒必要模仿基本類型運算符的行為，但也應(yīng)盡量接近。因此，對于那些可以直觀地對對象進(jìn)行遞增和遞減的類，例如迭代器，通常會有前綴（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++() 可以修改對象并返回對修改后對象的引用。那么模擬基本類型的后綴 ++ 的行為會怎樣？您還記得嗎？“后綴 ++ 運算符的結(jié)果是操作數(shù)的值。在得到結(jié)果后，操作數(shù)的值會遞增”。就像上面的非直線代碼一樣，operator++(int) 的實現(xiàn)者必須復(fù)制原始對象，修改原始對象，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++()。

對于基本類型，如果忽略 i++ 的結(jié)果，優(yōu)化器通常可以消除不必要的復(fù)制，但優(yōu)化器不能將對一個重載運算符的調(diào)用變?yōu)榱硪粋€。如果您出于習(xí)慣編寫 i++ 而不是 ++i，您就會調(diào)用開銷更大的增量運算符。

雖然我們一直在反對使用后增量，但不得不承認(rèn)，后增量在有些情況下還是有用的。如果確實要給一個變量進(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。但請注意，切勿為避免多寫一行代碼來遞增變量，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，都會使編譯器不得不生成更大、更慢的代碼。這個清單是不是太長了，記不??？今天就開始培養(yǎng)好的習(xí)慣吧！在使用后增量操作前，先問問自己能不能把增量操作作為下一條語句。

結(jié)語

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)展過程來看，它們不僅要跟隨技術(shù)和語言的演進(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這樣的公司長時間總結(jié)的最優(yōu)實踐，而且都可以在該公司的Embedded Workbench中進(jìn)行驗證和探索，在其工具界面中可以查看代碼的執(zhí)行時間和代碼尺寸，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包含針對運行效率和代碼體積的不同優(yōu)化等級，對于不同的應(yīng)用需求，還可以設(shè)置從整個工程，到每個源代碼文件，甚至是每個函數(shù)的優(yōu)化等級，幫助工程師為自己的應(yīng)用適配出最佳的優(yōu)化方案。希望此篇文章對于開發(fā)人員更深度地了解程序優(yōu)化有所幫助。

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