了解 GCC 4
程序员文章站
2022-03-24 11:41:36
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八月初 Mark Mitchell 发布了 GCC 4.3.2 版本，GCC是GNU编译集合，包括C, C++, Objective-C, Fortran, Java, and Ada编译器等。从这里下载最新的GCC: http://gcc.gnu.org/mirrors.html
让我们了解一下GCC 4：
在过去的几年中，GNU Compiler Collection (GCC)一直在做GCC 3 到 GCC 4 的主要版本转换。GCC 4是一个重要的版本，GCC 4 新增了很多新的最优化框架(和新的中间代码生成)，新的架构和语言支持，多种新属性和选项变化。了解GCC 4新的属性和它们的优点很有必要。
GCC是所有开发的基石，不管是对开源世界和闭源世界。它让操作系统和架构能够运行。当一个新的处理器出现，它必须依赖一个GCC版本支持(GCC在后台为它提供代码生成)。GCC也让开源操作系统Linux得以运行，让Linux进入嵌入开发领域成为现实……
但是GCC并不是静止的，新的处理器架构不停的出现，新的研究发现更好的方式来生成最优化代码，所以GCC也在一直在发展中，并且成功的发布了新的主要版本GCC 4。本文将浏览GCC的核心修改，让你熟悉新的编译标准。
首先简短复习一下的GCC历史：
GCC 最初是GNU C Compiler，由大名鼎鼎的 Richard Stallman 同学 在1987年首次发布。Richard开始这个项目于1984年，期望建立一个免费的C编译器，能够被使用和修改。GCC 最初跑在早期的Sun和DEC VAX系统上。
作为一个开源的编译器(意味着源代码是公开的)，其他开发者也在热心帮助修复bug，更重要的是升级GCC支持新的语言和其他目标架构。不久以后，它的名称变成GNU Compiler Collection，它已经支持多种语言和最流行的架构。
GCC发布历史：
今天GCC已经成为最流行的编译器，支持Ada, Fortran, the Java™ language, C 的变种 (C++ 和 Objective-C)，以及覆盖了最大范围的处理器架构(支持30种处理器家族)，GCC源代码移植到了超过60种平台，也是目前现存的最复杂的开源系统，GCC现在拥有大概150万行源代码。
在开始之前简单了解GCC的基本架构：
编译器是一种pipeline管道架构，通过不同的层次为不同类型的数据进行通讯(见下图)。前台编译器针对特殊语言，包括特定语言的语法分析器，解析为树状结构和中间状态代码(使用注册转换语言Register Transfer Language：RTL)。后台编译器提供与语言无关的解析和针对特定目标架构的创建结构。为了达到这个目标，最优化使用RTL创建更快速或者更简洁代码(如果可能，两者同时兼顾)。最优化的RTL被代码生成器获取，然后生成目标代码。
GCC 4的核心转换：
GCC 4 提供许多标准编译器组件的修改，最大更改是通过引进树静态单一分配(tree Static Single Assignment:SSA)格式对代码最优化的支持。GCC 4 对于 警告warning和错误error的展示是非常彻底的(事实上，一些特定的警告信息在GCC 4中已经显示为错误)。GCC 4的一个退步是它并不是GCC 3创建对象的字节编译，这意味着GCC 3编译的代码必须通过GCC 4重新编译。不幸的是，这样的成本就要增加。
让我们看看GCC 4 的主要进步。
4.0 发布系列：
4.0系列(4.0.4是最后版本)，是GCC 进入 第4版的第一步，所以并不推荐使用在生产环境中，这个版本包含很多修改，一个是前面介绍的树静态单一分配SSA，另外一个是autovectorization自动矢量化。
在GCC 4之前，中间代码名叫Register Transfer Language (RTL)，RTL是一个低层的代码，非常类似于汇编语言(从LISP S-expressions获得灵感)。RTL的问题是它对转换成最终目标提供了优化，确失了解释信息。当需要支持更好的分析和优化的时候，Tree SSA 设计用来同时独立于语言和目标。
Tree SSA 引入了两个新的中间代码，第一个叫 GENERIC ，这是一个普通的树结构，用来形成前台树格式。 GENERIC 树转换为 GIMPLE格式和子序列控制流图来支持基于SSA的最优化。最后SSA树转换为RTL，这用于后台来做最终目标的代码生成。简单的说，就是，引入Tree SSA的好处就是提供新的中间代码让高层和低层的最优化都做到最好。
GCC 4另外一个有趣的变化是添加了loop vectorizer 循环矢量(也是基于Tree SSA框架)。Autovectorization 自动矢量化让编译器标识代码内的分级进程循环，让目标处理器能够获得矢量指令的优势。结果是获得更加严格和高效的目标代码。另一个基于循环优化的是Swing Modulo Scheduling (SMS),通过减少构造层平行数量来构建最小循环指令管道。
最后 4.0 系列引入很多C 和 C++ 修改，新的Fortran 前台，支持Fortran 90 和 95 (而不是古老的Fortran 77，GCC 3支持)。新的Ada 2005功能，支持更多Ada新的架构。
4.1发布系列：
改进的属性支持和更精确的分支可能性预判。两个很有用的优化是更好的内联支持和减少本地指令缓存能力。如果函数是内联方式，编译器不再频繁执行。而且热点调用区域将更可能通过内联来保持代码数量尽可能小，获得内联函数的优势。GCC能够帮助分段函数进入热点或者冷静区域。保持热点函数放在一起，获得更好的指令缓存。
前台做了系列更新，包括支持Objective-C++。同时有大量针对java核心库(libgc)的更新。后台引入对IBM® System z™ 9-109 处理器支持，包括支持128位指令代码，Electronics Engineers (IEEE)浮点数，和内建原子内存存取能力。如果这些还不够吸引眼球，那么后台现在还能够发出保护堆栈攻击的指令，这意味着，如果缓冲buffer溢出被检测到，将重新排列保护指针不会崩溃。一些内建功能也被更新，用来保护缓冲buffer不会被过量请求占用。
4.2发布系列：
4.2版本继续支持更好的优化，同时包括语言和处理器架构的进步。后台更新包括对Sun的UltraSPARC T1处理器支持(代码名称Niagara)，同时支持Broadcom的SB-1A MIPS 芯片。前台修补了C++可视化处理机制，支持Fortran 2003 输入/输出流扩展。但是4.2最有趣的更新是添加了C，C++和Fortran编译器的OpenMP功能。
OpenMP是一个多线程实现，允许编译器生成平行任务和数据代码。
OpenMP一个概念：代码能够通过区域注释，这块区域平行处理能够被处理器直接使用。代码转换成多线程程序，用来处理代码块存在，然后在代码块结束后进入每个线程。
下图提供了处理器如何工作的示例。
4.3发布系列：
这个发布系列显示功能和支持架构的加速进步 (比如很多陈旧的架构支持被删除)。新的语言支持，比如添加对Fortran 2003支持。新的处理器支持，包括支持Coldfire 处理器家族， IBM System z9 EC/BC 处理器，Cell broadband engine 晶格宽带引擎架构的互协作处理器单元(Synergistic Processor Unit :SPU)，支持SmartMIPS等。你将发现Thumb2的编译和库支持(简洁的ARM指令)以及对ARMv7架构支持，支持 Core2 处理器和Geode处理器家族。
4.3 发布以后：
已经开始4.4版本开发了，这个版本即将发布，在4.4版本中OpenMP的3.0版本规格将应用到C, C++, 和 Fortran中。
编译器现在允许你定义一个在函数层进行优化的级别，(代替文档层，原先是缺省设置)。这个功能提供优化参数，提供独立的选项做优化。
最后处理器将添加Picochip支持，这是一个16位多核处理器。
GCC的未来？
GCC的未来是光明的。GCC将支持更多的处理器和架构，GCC几乎涵盖整个开发语言。开发方面还支持一系列不同的语言，比如Mercury，GHDL(一个用于VHDL的GCC前台语言)，和 统一的并行C语言(Unified Parallel C language :UPC)。
由于GCC的进步，几乎所有的软件将从GCC的进步中获得好处(从Linux和Berkeley软件到Apache等)，通过GCC 4进行软件编译将更加简洁和快速。
让我们了解一下GCC 4：
在过去的几年中，GNU Compiler Collection (GCC)一直在做GCC 3 到 GCC 4 的主要版本转换。GCC 4是一个重要的版本，GCC 4 新增了很多新的最优化框架(和新的中间代码生成)，新的架构和语言支持，多种新属性和选项变化。了解GCC 4新的属性和它们的优点很有必要。
GCC是所有开发的基石，不管是对开源世界和闭源世界。它让操作系统和架构能够运行。当一个新的处理器出现，它必须依赖一个GCC版本支持(GCC在后台为它提供代码生成)。GCC也让开源操作系统Linux得以运行，让Linux进入嵌入开发领域成为现实……
但是GCC并不是静止的，新的处理器架构不停的出现，新的研究发现更好的方式来生成最优化代码，所以GCC也在一直在发展中，并且成功的发布了新的主要版本GCC 4。本文将浏览GCC的核心修改，让你熟悉新的编译标准。
首先简短复习一下的GCC历史：
GCC 最初是GNU C Compiler，由大名鼎鼎的 Richard Stallman 同学 在1987年首次发布。Richard开始这个项目于1984年，期望建立一个免费的C编译器，能够被使用和修改。GCC 最初跑在早期的Sun和DEC VAX系统上。
作为一个开源的编译器(意味着源代码是公开的)，其他开发者也在热心帮助修复bug，更重要的是升级GCC支持新的语言和其他目标架构。不久以后，它的名称变成GNU Compiler Collection，它已经支持多种语言和最流行的架构。
GCC发布历史：
今天GCC已经成为最流行的编译器，支持Ada, Fortran, the Java™ language, C 的变种 (C++ 和 Objective-C)，以及覆盖了最大范围的处理器架构(支持30种处理器家族)，GCC源代码移植到了超过60种平台，也是目前现存的最复杂的开源系统，GCC现在拥有大概150万行源代码。
在开始之前简单了解GCC的基本架构：
编译器是一种pipeline管道架构，通过不同的层次为不同类型的数据进行通讯(见下图)。前台编译器针对特殊语言，包括特定语言的语法分析器，解析为树状结构和中间状态代码(使用注册转换语言Register Transfer Language：RTL)。后台编译器提供与语言无关的解析和针对特定目标架构的创建结构。为了达到这个目标，最优化使用RTL创建更快速或者更简洁代码(如果可能，两者同时兼顾)。最优化的RTL被代码生成器获取，然后生成目标代码。
GCC 4的核心转换：
GCC 4 提供许多标准编译器组件的修改，最大更改是通过引进树静态单一分配(tree Static Single Assignment:SSA)格式对代码最优化的支持。GCC 4 对于 警告warning和错误error的展示是非常彻底的(事实上，一些特定的警告信息在GCC 4中已经显示为错误)。GCC 4的一个退步是它并不是GCC 3创建对象的字节编译，这意味着GCC 3编译的代码必须通过GCC 4重新编译。不幸的是，这样的成本就要增加。
让我们看看GCC 4 的主要进步。
4.0 发布系列：
4.0系列(4.0.4是最后版本)，是GCC 进入 第4版的第一步，所以并不推荐使用在生产环境中，这个版本包含很多修改，一个是前面介绍的树静态单一分配SSA，另外一个是autovectorization自动矢量化。
在GCC 4之前，中间代码名叫Register Transfer Language (RTL)，RTL是一个低层的代码，非常类似于汇编语言(从LISP S-expressions获得灵感)。RTL的问题是它对转换成最终目标提供了优化，确失了解释信息。当需要支持更好的分析和优化的时候，Tree SSA 设计用来同时独立于语言和目标。
Tree SSA 引入了两个新的中间代码，第一个叫 GENERIC ，这是一个普通的树结构，用来形成前台树格式。 GENERIC 树转换为 GIMPLE格式和子序列控制流图来支持基于SSA的最优化。最后SSA树转换为RTL，这用于后台来做最终目标的代码生成。简单的说，就是，引入Tree SSA的好处就是提供新的中间代码让高层和低层的最优化都做到最好。
GCC 4另外一个有趣的变化是添加了loop vectorizer 循环矢量(也是基于Tree SSA框架)。Autovectorization 自动矢量化让编译器标识代码内的分级进程循环，让目标处理器能够获得矢量指令的优势。结果是获得更加严格和高效的目标代码。另一个基于循环优化的是Swing Modulo Scheduling (SMS),通过减少构造层平行数量来构建最小循环指令管道。
最后 4.0 系列引入很多C 和 C++ 修改，新的Fortran 前台，支持Fortran 90 和 95 (而不是古老的Fortran 77，GCC 3支持)。新的Ada 2005功能，支持更多Ada新的架构。
4.1发布系列：
改进的属性支持和更精确的分支可能性预判。两个很有用的优化是更好的内联支持和减少本地指令缓存能力。如果函数是内联方式，编译器不再频繁执行。而且热点调用区域将更可能通过内联来保持代码数量尽可能小，获得内联函数的优势。GCC能够帮助分段函数进入热点或者冷静区域。保持热点函数放在一起，获得更好的指令缓存。
前台做了系列更新，包括支持Objective-C++。同时有大量针对java核心库(libgc)的更新。后台引入对IBM® System z™ 9-109 处理器支持，包括支持128位指令代码，Electronics Engineers (IEEE)浮点数，和内建原子内存存取能力。如果这些还不够吸引眼球，那么后台现在还能够发出保护堆栈攻击的指令，这意味着，如果缓冲buffer溢出被检测到，将重新排列保护指针不会崩溃。一些内建功能也被更新，用来保护缓冲buffer不会被过量请求占用。
4.2发布系列：
4.2版本继续支持更好的优化，同时包括语言和处理器架构的进步。后台更新包括对Sun的UltraSPARC T1处理器支持(代码名称Niagara)，同时支持Broadcom的SB-1A MIPS 芯片。前台修补了C++可视化处理机制，支持Fortran 2003 输入/输出流扩展。但是4.2最有趣的更新是添加了C，C++和Fortran编译器的OpenMP功能。
OpenMP是一个多线程实现，允许编译器生成平行任务和数据代码。
OpenMP一个概念：代码能够通过区域注释，这块区域平行处理能够被处理器直接使用。代码转换成多线程程序，用来处理代码块存在，然后在代码块结束后进入每个线程。
下图提供了处理器如何工作的示例。
4.3发布系列：
这个发布系列显示功能和支持架构的加速进步 (比如很多陈旧的架构支持被删除)。新的语言支持，比如添加对Fortran 2003支持。新的处理器支持，包括支持Coldfire 处理器家族， IBM System z9 EC/BC 处理器，Cell broadband engine 晶格宽带引擎架构的互协作处理器单元(Synergistic Processor Unit :SPU)，支持SmartMIPS等。你将发现Thumb2的编译和库支持(简洁的ARM指令)以及对ARMv7架构支持，支持 Core2 处理器和Geode处理器家族。
4.3 发布以后：
已经开始4.4版本开发了，这个版本即将发布，在4.4版本中OpenMP的3.0版本规格将应用到C, C++, 和 Fortran中。
编译器现在允许你定义一个在函数层进行优化的级别，(代替文档层，原先是缺省设置)。这个功能提供优化参数，提供独立的选项做优化。
最后处理器将添加Picochip支持，这是一个16位多核处理器。
GCC的未来？
GCC的未来是光明的。GCC将支持更多的处理器和架构，GCC几乎涵盖整个开发语言。开发方面还支持一系列不同的语言，比如Mercury，GHDL(一个用于VHDL的GCC前台语言)，和 统一的并行C语言(Unified Parallel C language :UPC)。
由于GCC的进步，几乎所有的软件将从GCC的进步中获得好处(从Linux和Berkeley软件到Apache等)，通过GCC 4进行软件编译将更加简洁和快速。
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