c - 为什么-O1比-O2快10000倍？

以下是用于评估多项式的C函数：

/* Calculate a0 + a1*x + a2*x^2 + ... + an*x^n */
/* from CSAPP Ex.5.5, modified to integer version */
int poly(int a[], int x, int degree) {
  long int i;
  int result = a[0];
  int xpwr = x;
  for (i = 1; i <= degree; ++i) {
    result += a[i]*xpwr;
    xpwr *= x;
  }
  return result;
}

还有一个主要功能：

#define TIMES 100000ll
int main(void) {
  long long int i;
  unsigned long long int result = 0;
  for (i = 0; i < TIMES; ++i) {
    /* g_a is an int[10000] global variable with all elements equals to 1 */
    /* x = 2, i.e. evaluate 1 + 2 + 2^2 + ... + 2^9999 */
    result += poly(g_a, 2, 9999);
  }
  printf("%lld\n", result);
  return 0;
}

当我分别使用GCC和选项-O1和-O2编译程序时，我发现-O1比-O2更快。

平台详细信息：

i5-4600
具有内核3.18的Arch Linux x86_64
GCC 4.9.2
gcc -O1 -o /tmp/a.out test.c
gcc -O2 -o /tmp/a.out test.c

结果：

当TIMES = 100000ll时，-O1立即打印结果，而-O2需要0.36s
当TIMES = 1000000000ll时，-O1在0.28s内打印结果，-O2花费的时间太长，以至于我没有完成测试

看来-O1比-O2快大约10000倍。

当我在Mac（clang-600.0.56）上进行测试时，结果更加奇怪：-O1花费的时间不超过0.02s，即使TIMES = 1000000000000000000ll

我已经测试了以下更改：

使g_a随机（元素从1到10）
x = 19234（或其他一些数字）
使用int代替long long int

结果是一样的。

我尝试查看汇编代码，似乎-O1正在调用poly函数，而-O2进行内联优化。但是内联应该使性能更好，不是吗？

是什么使这些巨大的差异？为什么在c上使用-O1可以使程序如此之快？ -O1做错了吗？（我无法检查结果，因为如果没有优化，结果太慢了）

最佳答案

这是main的-O1汇编代码：（您可以通过在gcc中添加-S选项来获得它）

main:
.LFB12:
    .cfi_startproc
    subq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    movl    $9999, %edx
    movl    $2, %esi
    movl    $g_a, %edi
    call    poly
    movslq  %eax, %rdx
    movl    $100000, %eax
.L6:
    subq    $1, %rax
    jne .L6
    imulq   $100000, %rdx, %rsi
    movl    $.LC0, %edi
    movl    $0, %eax
    call    printf
    movl    $0, %eax
    addq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    ret
    .cfi_endproc

对于-O2：

main:
.LFB12:
    .cfi_startproc
    movl    g_a(%rip), %r9d
    movl    $100000, %r8d
    xorl    %esi, %esi
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L8:
    movl    $g_a+4, %eax
    movl    %r9d, %ecx
    movl    $2, %edx
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L7:
    movl    (%rax), %edi
    addq    $4, %rax
    imull   %edx, %edi
    addl    %edx, %edx
    addl    %edi, %ecx
    cmpq    $g_a+40000, %rax
    jne .L7
    movslq  %ecx, %rcx
    addq    %rcx, %rsi
    subq    $1, %r8
    jne .L8
    subq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    movl    $.LC1, %edi
    xorl    %eax, %eax
    call    printf
    xorl    %eax, %eax
    addq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    ret
    .cfi_endproc

尽管我对汇编的了解不多，但是很明显-O1仅调用一次poly，然后将结果乘以100000（imulq $100000, %rdx, %rsi）。这就是它这么快的原因。

看来gcc可以检测到poly是纯函数，没有副作用。（如果在g_a运行时有另一个线程修改poly，这将很有趣。）

另一方面，-O2内联了poly函数，因此没有机会将poly检查为纯函数。

我进一步做了一些研究：

我找不到执行纯功能检查的-O1使用的实际标志。

我已经分别尝试了gcc -Q -O1 --help=optimizers列出的所有标志，但是没有一个起作用。

可能需要将标志组合在一起才能获得效果，但是很难尝试所有组合。

但是我发现-O2使用的标志使效果消失，这是-finline-small-functions标志。标志的名称说明自己。

关于c - 为什么-O1比-O2快10000倍？，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题：https://stackoverflow.com/questions/28807120/

o1

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