使用 -O2 减少冒泡排序 C 程序的时间答案

【问题标题】：using -O2 decreases time of bubble sort C program使用 -O2 减少冒泡排序 C 程序的时间
【发布时间】：2017-08-08 19:10:40
【问题描述】：

#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，然后是 time ./sort >> out。在这里，如果我做gcc -o2 sort -o sort.c 和类似的o3 和o4，那么时间会继续减少。优化选项如何工作？请根据所有实时、用户时间和系统时间进行说明。

PS：代码可能有点低效。请忽略。

【问题讨论】：

不是-O2、-O3和-O4优化选项（注意大写O）？所以你不会期望时间减少吗？我不确定我是否理解这个问题。而且我认为您没有执行gcc sort -o sort.c，因为这会尝试将sort 编译为源并将二进制文件写入sort.c。我想你输入了gcc sort.c -o sort？
换句话说：在执行时间方面，越少越好。
@lurker 抱歉，问题是 -o2、-o3 是如何工作的
-o2 告诉编译器将其输出写入名为2 的文件。 -O2 启用优化。它们是完全不同的选择；因为 gcc 的选项区分大小写。此外，如果您真的在使用-o sort.c，那么您正在破坏您的源文件。请更新您的问题，以明确您实际使用的是哪一个；复制并粘贴您的确切 shell 命令。
避免将变量命名为l，因为它看起来与1 过于相似，尤其是在使用程序员编辑器中使用的字体进行修复时。

标签： c sorting gcc bubble-sort

【解决方案1】：

优化选项在读取源代码和将二进制指令写入 CPU 之间起作用。

GCC 是一个多阶段编译器，其中阶段大致包括：

根据输入文本创建“标记”。
将这些标记排列成抽象语法树结构。
修剪抽象语法树。
创建基于寄存器的指令，假设 CPU 寄存器数量无限。
将寄存器映射到实际可用的寄存器中。
以加载程序的预期格式写出二进制信息。

优化可以影响许多位置，通常它们在上述步骤 3 到 5 中变得活跃。有许多优化，包括：

常量折叠 - 提前计算常量子表达式。
强度降低 - 将慢速操作替换为更快的等效操作。
空序列 - 删除无用的操作。
组合操作 - 将多个操作替换为一个等效操作。
代数定律 - 使用代数定律来简化或重新排序指令。
特殊情况说明 - 使用专为特殊操作数情况设计的说明。
地址模式操作 - 使用地址模式来简化代码。
循环展开 - 用等效指令替换循环
部分循环展开 - 减少循环的评估次数，同时保留整体功能。

请注意，这些并不是可能执行的所有优化，但它开始给您一个想法。

例如，如果编译器看到

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

并且标志被设置为展开循环，那么它可能会编写相当于

的CPU指令

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

这些指令对我们人类来说可能看起来更冗长，但 CPU 命令可能更小，因为不需要“查找”现在已擦除的 s 值，也不需要添加一个，或将新的更新值存储回 RAM。

GCC 将优化分为几类，从“安全”到“有风险”。 -O2 是速度和安全性之间的良好折衷。 -O 数越高风险越大。

【讨论】：

主要的 GCC 前端没有抽象语法树（在某种意义上，for 语句有一个树节点，if 语句有一个树节点）。
@FlorianWeimer GCC 确实有一个 AST，不确定它是否属于你所说的前端，但你可以通过 gcc -fdump-tree-vcg -g test.c 访问它，注意 AST 是用于 GCC，不是为了被解析的语言，所以我同意没有“C if-node”与“Java if-node”。相反，是 AST 驱动他们的后端进程。我希望这能澄清一点，在我的表达中，我看到了错误的方式。干杯！
-fdump-tree-vcg 用于转储非 AST 的 CFG。 C 和 C++ 前端都将控制流构造降低到gotos。没有任何东西与原始语法非常相似。
@FlorianWeimer 我没有创建 GCC，但我已经阅读了很多它的设计。是的，GCC 中的 AST 不是特定于语言的 AST，但我从未声称它是。它是一种 AST，其设计使得单个后端可以处理多种语言前端。如果你曾经在汇编中编程，goto 在 JMP 相关指令中有一个类似的指令，这是选择性流控制通常在汇编中完成的方式。
你的最后一个例子是否产生过类似puts("3\n4\n5")的代码？

【解决方案2】：

-O 编译器标志控制您希望编译器执行的编译器优化量。简而言之，构建项目需要更长的时间，但生成的可执行文件应该更快。有关详细信息，请在命令提示符中键入 man gcc 或 gcc -c -Q -O3 --help=optimizers 以获取有关针对特定标志执行的优化的具体信息。

【讨论】：

【解决方案3】：

-O 代表optimize，其中gcc 将自动采取必要的步骤来优化您的程序。您可以在此处阅读有关 GCC 优化程序所采取的具体步骤的更多信息：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html

但本质上，-O2 比-O1 更优化，-O3 比-O2 更优化。这可能会在编译后的二进制文件大小方面带来缺点，其中生成的二进制文件可以使用更多空间，但运行速度更快，反之亦然。您实际上可以将代码粘贴到https://godbolt.org/，并写入-O1 或下拉列表旁边的任何优化选项以选择编译器，godbolt 将向您显示生成的代码的样子。您将能够看到O1 和O2 之间的区别，即O2 生成的代码可能更短，并且会使用很多快捷方式来执行您的算法。

【讨论】：

【解决方案4】：

gcc 提供了许多优化标志。您可以在这里查看每个人的具体作用：

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

优化总是需要权衡取舍，比如增加编译时间、增加内存使用等......

-o2 标志启用了许多优化，因此可能无法立即清楚哪些特定的优化会影响排序。代替 -o2，您可以单独尝试每个优化，例如使用 -falign-loops 标志，以查看是否是提供性能提升的那个。

【讨论】：