体验Visual C＋＋ 2005的现代语言特性

更好的代码优化

　　一个好的软件开发者总会想方设法提高软件的执行效率，编译器的编写者是一种特殊类型的开发者，不仅代码要执行效率高，而且由它们生成的代码也必须极有效率。因此，任何一个成功的编译器产品，优秀的后台优化是必不可少的。而在这方面，Visual C++ 2005脱颖而出。

　　Visual Studio .NET 2002和Visual Studio .NET 2003在C++编译器中引入了一些非常好的优化方式，也花了很大气力改善本地代码的执行效率，加入了对Intel Pentium 4 CPU的SSE和SSE2指令支持。特别值得一提的是，还加入了全局程序优化WPO（Whole Program Optimization），可允许链接器在链接.obj文件时，对整个程序进行优化。这些.obj文件与一般.obj文件有所不同，因为它们不但包含了本地机器码，而且还包含了一些中间语言数据，以便编译器的前端和后台之间进行沟通。链接器可把这些文件当成一个大的整体单元来优化，生成更多的内联函数，进行更好的堆栈对齐，还可在多种情况下，使用定制的函数调用约定。Visual C++ 2005在基于自上而下、从底至上的程序结构分析基础上，在WPO上进行了改进，使之更进一步，而最大的改进之处就是配置向导优化PGO（Profile Guided Optimization）了。

　　对源代码的静态分析，仍留给了编译器许多未解决的问题。就拿对两个变量的比较语句来说，第一个通常比第二个大吗？在switch语句中，哪一个case子句是经常被执行的呢？哪个函数是经常被调用的，而又哪些代码是“冷代码”——即不经常执行的呢？如果编译器在编译时就能知道代码在运行时的状态，就能进行更好的优化，这就是Visual C++ 2005编译器改进的着力之处。

图4：配置向导优化

　　
　　图4图示了PGO的编译流程，第一步是编译代码，并把它们链接成由一系列配置计数探测数据组成的配置文件。在WPO下，编译器生成的.obj文件不再包含本地机器码，而由中间语言数据组成。这些计数数据由两部分组成：数值计数与命中计数；数值计数常用来表示变量数值的柱状图，而命中计数用来跟踪程序中的特定代码区域被执行了多少次。先运行一个应用程序，再进行一些通常的操作，就能从这些计数中收集相应的数据，并写入一个配置数据库中。当原始的.obj文件被送往链接器时，配置数据也同时被送回链接器，此时链接器就可以进行分析，以决定采取怎样的优化，并最终生成一个不含配置信息的程序，而此最终版本就可发布给用户使用。

　　配置向导优化可进行多种多样的优化。基于命中计数，能在每个调用点都决定是否采用内联函数；而数值计数，可使switch和if-else结构重新排列，以便找出最常用的数值，从而避免不必要的检查。代码段也能被重新排列，使最常用的代码能一直执行，而不是强制一些不必要的跳转，从而避免TLB（Translation Lookaside Buffer）发生颠簸和页面调度。

　　“冷代码”被编译器放置在模块的特定区，以避免上述情况的发生；在某一特定类型的虚拟调用点上，虚拟调用推测能避免vtable查找；局部内联可对“热代码”进行内联化处理。另外，代码的特定区域也能有针对性地进行某种优化，而其他区域进行另外某种优化，例如，“热代码”或小型函数能被指定编译为最快速度（/O2），而“冷代码”或大型函数能被指定编译为占用最小空间（/O1）。

　　如果十分清楚程序运行的真实情况，可在配置文件生成时，不断地在此模拟情况下运行程序，而最终的程序执行效率将会得到极大的提升。最近，SQL Server使用PGO重新编译，结果在多数应用环境下，可得到最高30%的效率提升；由此看来，微软会使用此技术来编译它的全部产品。要注意的是，不要在配置文件生成时，试图进行完全代码路径覆盖，PGO的中心点是针对普通使用情况，来决定是否优化，如果试图进行完全代码路径覆盖，只会自食其果。

　　Visual C++ 2005也加入了对OpenMP的支持，OpenMP是一个用于创建多线程程序的开放规范，它由一组pragma组成，指示编译器可把某段代码进行并行处理。不依赖前一个迭代结果的大循环代码就非常适合OpenMP，请看下面简单的拷贝函数，它把数组a和b中的数值相加，存放于数组c中：

void copy(int a[], int b[], int c[], int length) { 　#pragma omp parallel 　for(int i=0; i<length; i++) 　{ 　　c[i] = a[i] + b[i]; 　} }

　　在多处理器电脑上，编译器将生成多线程来执行此循环的迭代，每个线程都会执行拷贝操作的一个子集。需注意，编译器不会去检查循环是否存在依赖性，因而甚至不会阻止你在一此不适合的情况下使用pragma。如果存在依赖，即使程序对规范而言是正确的，也会得到与预期相反的结果。

　　虽然OpenMP的最大好处是并行执行如上所示的循环，但顺序代码也能从中得到性能上的提高，“#pragma omp section”可被直接用于区分代码中的非依赖区，允许开发者指定可并行执行的区域，接下来，编译器可生成多线程代码，以在不同的处理器上执行这些代码段。

　　对使用 .NET的开发者来说，最重要的一个变化就是，当目标平台为MSIL时，编译器会像对待本地代码平台一样，进行绝大多数都相同的优化。虽然现今的JIT即时编译器是在运行时为优化进行分析，但允许C++编译器在初始编译期间进行优化，仍能产生可观的优化效果（相对JIT即时编译器，C++编译器有更多的时间进行它的分析）。Visual C++ 2005是首次对托管类型进行优化，包括循环优化、表达式优化、内联优化，而通常这些是编译器不能进行 .NET代码优化的地方。例如，因为指针算法的不可验证性，将导致强度消减问题；又因为CLR的严格类型和成员访问需要，某些代码可能不会被内联化。另外，优化MSIL也要根据即时编译器所面对的代码，作出一个平衡，举例来说，你可能不想打开一个循环，并把过多的变量暴露给即时编译器，因此，它就必须进行寄存器分配（一个NP-complete问题）。