理解 GCC 优化标志的细节

在本节中，我们将介绍 GCC 所提供的一些优化标志的更多细节。GCC 提供的优化标志非常多，完整列表超出了本书的范围。首先，我们将介绍开启较高级别优化指令 -O1、-O2 和 -O3 时 GCC 启用的内容，感兴趣的读者可参考 GCC 官方手册进一步了解。

优化级别 -O1

-O1 是第一级优化，开启以下优化标志，旨在在不显著增加编译、链接和优化时间的前提下减少代码体积和执行时间。这是最基础但非常有效的优化等级，包含了我们在本章讨论过的多种优化技术。

几个重要的标志包括：

• -fdce 和 -fdse：执行 死代码消除（DCE） 和 死存储消除（DSE）。

• -fdelayed-branch：在许多架构中支持，尝试重排序指令以最大化流水线的吞吐。

• -fguess-branch-probability：使用启发式方法猜测分支概率（当开发者未指定时）。

• -fif-conversion 与 -fif-conversion2：尝试将条件分支改写为无分支的等价代码。

• -fmove-loop-invariants：启用循环不变代码外提优化。

完整标志列表（部分）：

-fauto-inc-dec 
-fshrink-wrap 
-fcombine-stack-adjustments 
-fcompare-elim 
-fcprop-registers 
-fdce 
-fdefer-pop 
-fdelayed-branch 
-fdse 
-fforward-propagate 
-fguess-branch-probability 
-fif-conversion 
-fif-conversion2 
-finline-functions-called-once 
-fipa-*（多个 inter-procedural 优化） 
-fmove-loop-invariants 
-fomit-frame-pointer 
-freorder-blocks

优化级别 -O2

-O2 是更高一级的优化等级，启用 -O1 中的所有标志，并增加了更多优化。会显著增加编译与链接时间，但提供更强的优化能力。

关键优化标志示例：

• -falign-functions、-falign-labels、-falign-loops：对函数、标签、循环的起始地址进行对齐，以提升处理器访问效率。

• -fdelete-null-pointer-checks：认为解引用空指针是不安全的，进行相关优化（如常量折叠、移除空指针检查）。

• -fdevirtualize 和 -fdevirtualize-speculatively：尝试将虚函数调用转换为直接调用，从而允许更多内联优化。

• -fgcse：启用全局公共子表达式消除（GCSE）与常量传播。

• -finline-functions、-finline-small-functions、-findirect-inlining：增强内联函数的处理能力。

完整标志列表（部分）：

-falign-* 
-fcaller-saves 
-fcode-hoisting 
-fcse-* 
-fdelete-null-pointer-checks 
-fdevirtualize 
-fexpensive-optimizations 
-ffinite-loops 
-fgcse 
-fhoist-adjacent-loads 
-finline-* 
-fipa-* 
-fschedule-insns 
-fstore-merging 
-ftree-*（多个 SSA/CFG 优化） 
-flra-remat 
-fvect-cost-model=very-cheap

优化级别 -O3

-O3 是 GCC 提供的最激进的优化等级。即使会导致可执行文件变大，只要性能更好，也会进行优化。

关键优化标志示例：

• -fipa-cp-clone：创建函数克隆，以增强跨过程常量传播和其他优化（牺牲空间换时间）。

• -fsplit-loops：尝试将循环拆分，以避免循环中的条件判断。

• -funswitch-loops：将循环中的不变条件判断移出循环体，减少分支。

完整标志列表（部分）：

-fipa-cp-clone 
-fsplit-loops 
-funswitch-loops 
-floop-interchange 
-ftree-loop-distribution 
-floop-unroll-and-jam 
-ftree-partial-pre 
-fpeel-loops 
-fpredictive-commoning 
-fversion-loops-for-strides 
-fvect-cost-model=dynamic

一些额外的优化选项

静态链接（Static linkage）

通过 -l<library> 指定要链接的库，但如果系统上同时存在静态库（如 libfoo.a）和共享库（如 libfoo.so），可使用 -static 强制链接静态库。在低延迟应用中，优先选择静态链接更合适，因为它减少了运行时动态链接的开销。

指定目标架构

-march=<arch> 用于指定目标架构。例如 -march=native 表示使用当前编译器所在机器的架构。指定架构可以让编译器利用特定指令集，从而进行更有针对性的优化。

编译器警告选项

• -Wall、-Wextra、-Wpedantic：开启各种警告，检测潜在的错误或危险代码，建议大多数项目都启用。

• -Werror：将所有警告视为错误，强制开发者修复代码中的潜在问题。

这些虽然不直接影响优化本身，但有助于识别会阻碍优化的低质量代码（如隐式类型转换、歧义表达式等）。

不安全的浮点优化（Unsafe Fast Math）

这一类优化涉及浮点运算的非标准处理，可能导致精度损失或错误的结果，使用前需格外小心。

启用 -ffast-math 后，会激活以下优化：

-fno-math-errno
-funsafe-math-optimizations
-ffinite-math-only
-fno-rounding-math
-fno-signaling-nans
-fcx-limited-range
-fexcess-precision=fast

这些优化允许编译器对浮点表达式应用更激进的优化策略，但不会在 -O1、-O2 或 -O3 中自动启用，只适用于对浮点精度要求不高的场景。