GCC优化Linux分析

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软件如果不能被电脑运行，那么它就是无用的。而在处理运行时性能的问题上，即使是最有才华的开发人员也会受编译器的支配 —— 因为如果没有可靠的编译器工具链，就无法构建任何重要的东西。GNU 编译器集合（GCC）提供了一个健壮、成熟和高性能的工具，以帮助你充分发挥你代码的潜能。经过数十年成千上万人的开发，GCC 成为了世界上最受尊敬的编译器之一。如果你在构建应用程序是没有使用 GCC，那么你可能错过了最佳解决方案。

根据 LLVM.org 的说法，GCC 是“如今事实上的标准开源编译器” [1]，也是用来构建完整系统的基础 —— 从内核开始。GCC 支持超过 60 种硬件平台，包括 ARM、Intel、AMD、IBM POWER、SPARC、HP PA-RISC 和 IBM Z，以及各种操作环境，包括 GNU、Linux、Windows、macOS、FreeBSD、NetBSD、OpenBSD、DragonFly BSD、Solaris、AIX、HP-UX 和 RTEMS。它提供了高度兼容的 C/C++ 编译器，并支持流行的 C 库，如 GNU C Library（glibc）、Newlib、musl 和各种 BSD 操作系统中包含的 C 库，以及 Fortran、Ada 和 GO 语言的前端。GCC 还可以作为一个交叉编译器，可以为运行编译器的平台以外的其他平台创建可执行代码。GCC 是紧密集成的 GNU 工具链的核心组件，由 GNU 项目产生，它包括 glibc、Binutils 和 GNU 调试器（GDB）。

“一直以来我最喜欢的 GNU 工具是 GCC，即 GNU 编译器集合。在开发工具非常昂贵的时候，GCC 是第二个 GNU 工具，也是使社区能够编写和构建所有其他工具的工具。这个工具一手改变了这个行业，导致了自由软件运动的诞生，因为一个好的、自由的编译器是一个社区软件的先决条件。”—— Red Hat 开源和标准团队的 Dave Neary。[2]

优化 Linux

作为 Linux 内核源代码的默认编译器，GCC 提供了可靠、稳定的性能以及正确构建内核所需的额外扩展。GCC 是流行的 Linux 发行版的标准组件，如 ArchLinux、CentOS、Debian、Fedora、openSUSE 和 Ubuntu 这些发行版中，GCC 通常用来编译支持系统的组件。这包括 Linux 使用的默认库（如 libc、libm、libintl、libssh、libssl、libcrypto、libexpat、libpthread 和 ncurses），这些库依赖于 GCC 来提供可靠性和高性能，并且使应用程序和系统程序可以访问 Linux 内核功能。发行版中包含的许多应用程序包也是用 GCC 构建的，例如 Python、Perl、Ruby、nginx、Apache HTTP 服务器、OpenStack、Docker 和 OpenShift。各个 Linux 发行版使用 GCC 构建的大量代码组成了内核、库和应用程序软件。对于 openSUSE 发行版，几乎 100% 的原生代码都是由 GCC 构建的，包括 6135 个源程序包、5705 个共享库和 38927 个可执行文件。这相当于每周编译 24540 个源代码包。[3]

Linux 发行版中包含的 GCC 的基本版本用于创建定义系统应用程序二进制接口（ABI）的内核和库。用户空间开发者可以选择下载 GCC 的最新稳定版本，以获得高级功能、性能优化和可用性改进。Linux 发行版提供安装说明或预构建的工具链，用于部署最新版本的 GCC 以及其他 GNU 工具，这些工具有助于提高开发人员的工作效率和缩短部署时间。

优化互联网

GCC 是嵌入式系统中被广泛采用的核心编译器之一，支持为日益增长的物联网设备开发软件。GCC 提供了许多扩展功能，使其非常适合嵌入式系统软件开发，包括使用编译器的内建函数、#语法、内联汇编和以应用程序为中心的命令行选项进行精细控制。GCC 支持广泛的嵌入式体系结构，包括 ARM、AMCC、AVR、Blackfin、MIPS、RISC-V、Renesas Electronics V850、NXP 和 Freescale Power 处理器，可以生成高效、高质量的代码。GCC提供的交叉编译能力对这个社区至关重要，而预制的交叉编译工具链 [4] 是一个主要需求。例如，GNU ARM 嵌入式工具链是经过集成和验证的软件包，其中包含 ARM 嵌入式 GCC 编译器、库和其它裸机软件开发所需的工具。这些工具链可用于在 Windows、Linux 和 macOS 主机操作系统上对流行的 ARM Cortex-R 和 Cortex-M 处理器进行交叉编译，这些处理器已装载于数百亿台支持互联网的设备中。[5]

GCC 为云计算赋能，为需要直接管理计算资源的软件提供了可靠的开发平台，如数据库和 Web 服务引擎以及备份和安全软件。GCC 完全兼容 C++ 11 和 C++ 14，为 C++ 17 和 C++ 2a 提供实验支持 [6]（LCTT 译注：本文原文发布于 2018 年），可以创建性能优异的对象代码，并提供可靠的调试信息。使用 GCC 的应用程序的一些例子包括：MySQL 数据库管理系统，它需要 Linux 的 GCC [7]；Apache HTTP 服务器，它建议使用 GCC [8]；Bacula，一个企业级网络备份工具，它需要 GCC。[9]

优化一切

对于高性能计算（HPC）中使用的科学代码的研究和开发，GCC 提供了成熟的 C、C++ 和 Fortran 前端，以及对 OpenMP 和 OpenACC API的支持，用于基于指令的并行编程。因为 GCC 提供了跨计算环境的可移植性，它使得代码能够更容易地在各种新的和传统的客户机和服务器平台上进行测试。GCC 为 C、C++ 和 Fortran 编译器提供了 OpenMP 4.0 的完整支持，为 C 和 C++ 编译器提供了 OpenMP 4.5 完整支持。对于 OpenACC、 GCC 支持大部分 2.5 规范和性能优化，并且是唯一提供 OpenACC 支持的非商业、非学术编译器。

代码性能是这个社区的一个重要参数，GCC 提供了一个坚实的性能基础。Colfax Research 于 2017 年 11 月发表的一篇论文评估了 C++ 编译器在使用 OpenMP 4.x 指令并行化编译代码的速度和编译后代码的运行速度。图 1 描绘了不同编译器编译并使用单个线程运行时计算内核的相对性能。性能值经过了归一化处理，以 G++ 的性能为 1.0。

图 1 为由不同编译器编译的每个内核的相对性能。（单线程，越高越好）。

他的论文总结道：“GNU 编译器在我们的测试中也做得很好。G++ 在六种情况中的三种情况下生成的代码速度是第二快的，并且在编译时间方面是最快的编译器之一。”[10]

谁在用 GCC?

在 JetBrains 2018 年的开发者生态状况调查中，在接受调查的 6000 名开发者中，66% 的 C++ 程序员和 73% 的 C 程序员经常使用 GCC。[11] 以下简要介绍 GCC 的优点，正是这些优点使它在开发人员社区中如此受欢迎。

◈ 对于需要为各种新的和遗留的计算平台和操作环境编写代码的开发人员，GCC 提供了对最广泛的硬件和操作环境的支持。硬件供应商提供的编译器主要侧重于对其产品的支持，而其他开源编译器在所支持的硬件和操作系统方面则受到很大限制。[12]

◈ 有各种各样的基于 GCC 的预构建工具链，这对嵌入式系统开发人员特别有吸引力。这包括 GNU ARM 嵌入式工具链和 Bootlin 网站上提供的 138 个预编译交叉编译器工具链。[13] 虽然其他开源编译器（如 Clang/LLVM）可以取代现有交叉编译工具链中的 GCC，但这些工具集需要开发者完全重新构建。[14]

◈ GCC 通过成熟的编译器平台向应用程序开发人员提供可靠、稳定的性能。《在 AMD EPYC 平台上用 GCC 8/9 与 LLVM Clang 6/7 编译器基准测试》这篇文章提供了 49 个基准测试的结果，这些测试的编译器在三个优化级别上运行。使用 -O3 -march=native 级别的 GCC 8.2 RC1 在 34% 的时间里排在第一位，而在相同的优化级别 LLVM Clang 6.0 在 20% 的时间里赢得了第二位。[15]

◈ GCC 为编译调试 [16] 提供了改进的诊断方法，并为运行时调试提供了准确而有用的信息。GCC 与 GDB 紧密集成，GDB 是一个成熟且功能齐全的工具，它提供“不间断”调试，可以在断点处停止单个线程。

◈ GCC 是一个得到良好支持的平台，它有一个活跃的、有责任感的社区，支持当前版本和以前的两个版本。由于每年都有发布计划，这为一个版本提供了两年的支持。

GCC：仍然在继续优化

GCC 作为一个世界级的编译器继续向前发展。GCC 的最新版本是 8.2，于 2018 年 7 月发布（LCTT 译注：本文原文发表于 2018 年），增加了对即将推出的 Intel CPU、更多 ARM CPU 的硬件支持，并提高了 AMD 的 ZEN CPU 的性能。增加了对 C17 的初步支持，同时也对 C++2A 进行了初步工作。诊断功能继续得到增强，包括更好的发射诊断，改进了定位、定位范围和修复提示，特别是在 C++ 前端。Red Hat 的 David Malcolm 在 2018 年 3 月撰写的博客概述了 GCC 8 中的可用性改进。[17]

新的硬件平台继续依赖 GCC 工具链进行软件开发，例如 RISC-V，这是一种自由开放的 ISA，机器学习、人工智能（AI）和物联网细分市场都对其感兴趣。GCC 仍然是 Linux 系统持续开发的关键组件。针对 Intel 架构的 Clear Linux 项目是一个为云、客户端和物联网用例构建的新兴发行版，它提供了一个很好的示例，说明如何使用和改进 GCC 编译器技术来提高基于 Linux 的系统的性能和安全性。GCC 还被用于微软 Azure Sphere 的应用程序开发，这是一个基于 Linux 的物联网应用程序操作系统，最初支持基于 ARM 的联发科 MT3620 处理器。在培养下一代程序员方面，GCC 也是树莓派的 Windows 工具链的核心组件，树莓派是一种运行基于 Debian 的 GNU/Linux 的低成本嵌入式板，用于促进学校和发展中国家的基础计算机科学教学。

GCC 由 GNU 项目的创始人理查德•斯托曼首次发布 于 1987 年 3 月 22 日，由于它是第一个作为自由软件发布的可移植的 ANSI C 优化编译器，因此它被认为是一个重大突破。GCC 由来自世界各地的程序员组成的社区在指导委员会的指导下维护，以确保对项目进行广泛的、有代表性的监督。GCC 的社区方法是它的优势之一，它形成了一个由开发人员和用户组成的庞大而多样化的社区，他们为项目做出了贡献并提供支持。根据 Open Hub 的说法，“GCC 是世界上最大的开源团队之一，在 Open Hub 上的所有项目团队中排名前 2%。”[18]

关于 GCC 的许可问题，人们进行了大量的讨论，其中大多数是混淆而不是启发。GCC 在 GNU 通用公共许可证（GPL）版本 3 或更高版本下发布，但运行时库例外。这是一个左版许可，这意味着衍生作品只能在相同的许可条款下分发。GPLv3 旨在保护 GCC，防止其成为专有软件，并要求对 GCC 代码的更改可以自由公开地进行。对于“最终用户”来说，这个编译器与其他编译器完全相同；使用 GCC 对你为自己的代码所选择的任何许可都没有区别。[19]

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