CPU与编译器概论.pdfVIP

第 1章 CPU与编译器概论 序 001 1.1　高速路与人行道 近年来，台式机的CPU 主频已达到2~3GHz ，就连iPhone 等智能手机 和便携式终端的CPU 主频率亦可达到0�5~ 1GHz 。 这些CPU ，有如在高速路上奔驰的跑车一样。试想一下，如果高速路 上遍布着红绿灯和人行道，那跑车的性能就不能完全发挥出来。 图1-1　高速路与人行道 无论在高速路上跑得多快，一旦遇上红绿灯和人行道那该怎么办？想 必就算是高性能跑车，在这个时候减速也会影响它的性能发挥。即使等到 了绿灯，再次加速行驶，但遇到下一个红绿灯时也不得不再次减速。实际 生活中的高速路上是没有人行道的，但计算机中的程序却是在 “有红绿灯 的高速路”上工作着。 读者在用C 或C++ 编写程序时，常常会在程序里设置很多 “红绿灯和 人行道”。虽然需要减速的原因有很多，但只要去掉其中几个主要的障碍， 程序的运行速度就会提高几十倍。 那么，哪些程序在扮演着 “高速路上的人行道”呢？我们该如何规避 它？要想解答这些问题，我们就必须了解CPU 的构造和工作原理，以及编 译器运行的相关知识。 在这一章中，我们会在探讨性能优化的具体方法之前，先对CPU 的构 造与编译器的运行原理进行简单的讲解。 002 第1章  CPU与编译器概论 1.2　编译器是如何运作的 大多数程序员在日常编程中很少会直接用到CPU 中的指令 （即机器语 言）。这主要是因为直接使用机器语言比较繁琐，所以我们选择人类更容易 理解的语言来编程，然后再通过编译器将其翻译成机器语言。但是，编译 器能否准确地将人类的逻辑思维转换为相应的机器语言呢？在这里，我们 先来研究一下编译器到底是如何运作的。 比如，使用GCC 按以下步骤将程序编译为目标代码（即汇编语言程序）。 1 读取源程序并进行解析。将字符分离出来整理成较容易统计的形式，收 � 集参数与函数名等标识符。 2� 对收集到的参数与标识符进行内存地址分配（即后文将提到的寄存器）， 将内存地址与参数或函数对应起来。 3� 根据逻辑程序生成汇编语言程序。 接下来，汇编编译器将已生成的汇编语言转换成机器语言的目标程序， 链接器将目标程序和外部模块连接起来 （图1-2 ）。 gcc as ld *.c *.a *.o *.out 图1-2　从源程序到执行代码的实现过程 近代的编译器实现了在编译过程中，让所生成的程序在更短的时间内 得到相同的结果，达到更高的效率。其实现的方法多种多样，比如说，编 译器扫描程序后，将多余的操作忽略，修改指令的运行顺序以使CPU 处理 得更快等。 优化与程序的调优有着密不可分的关联，在后面的章节中将会提到。 1�2　编译器是如何运作的 003 编译后的汇编语言程序 我们来看看由GCC 生成的汇编语言程序。程序 1-1 是为检验而编写的 小程序。 程序1-1　10次加1运算的程序 #include stdio.h int a, b; main() { a = 0; do { b += a + 1; a++; } while (a 11); } 如果在编译此程序时加上-S 选项，