C++(Qt)软件调试---验证GCC编译优化和生成调试信息（8）原创

C++(Qt)软件调试—验证GCC编译优化和生成调试信息（8）

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C++(Qt)软件调试---验证GCC编译优化和生成调试信息（8）

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1、前言

1.1 编译器优化是什么

编译器编译优化是指编译器在编译源代码为目标代码的过程中，通过对代码结构和语义的分析，自动优化目标代码的生成方式，编译器编译优化可以提高程序的性能和可靠性，但也可能会对程序的可读性和可维护性产生负面影响。因此，开发者需要在代码调试和维护的过程中进行权衡和选择，以获得最佳的程序性能和开发效率。

编译优化主要包括以下几个方面：

算法优化：通过优化算法的复杂度，减少程序执行的时间和空间消耗。
代码优化：通过优化代码的结构、指令的选择和数据存储方式等，减少程序执行的时间和空间消耗。
循环优化：通过分析循环结构，优化循环的执行过程，减少循环的执行时间和空间消耗。
内联函数优化：通过将函数的代码直接嵌入到调用该函数的代码中，减少函数调用的开销，提高程序的执行效率。
代码生成优化：通过对目标代码的生成方式进行优化，减少目标代码的大小和执行时间。

1.2 调试信息是什么

C++调试信息是在编译C++程序时生成的一些附加信息，它包括了程序中各个变量、函数以及类的定义和使用等详细信息。

调试信息可以帮助开发人员在程序运行时快速定位和解决问题，特别是在出现崩溃、错误或异常情况时，可以帮助开发人员追踪到具体的代码行数和错误原因。

调试信息可以通过编译器选项来开启和关闭，通常在开发和测试阶段开启，而在正式发布时关闭。

1.3 适用范围和测试环境

由于MinGW和GCC基本相同，所以本文适用于GCC和MinGW编译器；

在本文中验证的结果仅供参考；

系统环境：ubuntu22.04；

编译器：g++ (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0；

2、C++代码编译-O参数验证

1.1 准备工作

下面验证会从编译后的程序大小、运行性能两个方面进行比较，因为代码比较小，所以编译速度就不进行验证了。

下面是一个简单的代码示例，代码用于计算1到100000000的整数和，并输出计算结果和程序运行时间。用于验证g++编译参数-O的每个级别的效果：

#include <iostream>
#include <chrono>
using namespace std;
using namespace std::chrono;

inline int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int main() 
{
    int n = 100000000;
    int sum = 0;
    auto start = high_resolution_clock::now();  // 记录开始时间
    for (int i = 1; i <= n; ++i) 
    {
        sum = add(sum, i);
    }
    for (int i = 1; i <= n; ++i) 
    {
        sum = add(sum, i);
    }
    auto end = high_resolution_clock::now();  // 记录结束时间
    auto duration = duration_cast<microseconds>(end - start);  // 计算运行时间
    cout << "sum = " << sum << endl;
    cout << "time = " << duration.count() << " microseconds" << endl;
    return 0;
}

我们可以在编译时使用不同的-O级别参数来比较不同优化级别、不同优化参数的效果。具体地，我们可以使用以下命令编译代码：

g++  test.cpp -o test
g++ -O0 test.cpp -o test-O0
g++ -O1 test.cpp -o test-O1
g++ -O2 test.cpp -o test-O2
g++ -O3 test.cpp -o test-O3
g++ -Os test.cpp -o test-Os
g++ -Ofast test.cpp -o test-Ofast
g++ -Og test.cpp -o test-Og

1.2 验证不同-O参数对程序大小、性能的影响

使用ll -Slr命令将所有编译后的程序按大小从小到大排序显示，如图所示，使用-Os参数编译的程序大小最小，使用-Ofast参数编译的程序大小最大，而优化级别0~3和大小没有对应关系，优化级别高的大小不一定小。

其中没有使用-O参数和使用-O0参数编译的大小相同，可用看出程序编译时默认时关闭优化的。
下面将每个程序执行10次，统计每个优化参数编译的程序运行消耗的时间，并将时间数据放入Excel中绘制折线图进行比较。
从数据看不同的优化参数对性能的影响天差地别。（注意：由于测试使用的代码比较简单，测试数据量较少，所以结果仅供参考，不同的代码优化后的性能区别不一样，不能一概而论）
- 默认编译、-O0编译为一个一个级别，性能最低；
- -O1、-O2、-Og、-Os编译为一个级别，性能适中；
- -O3、-Ofast编译为一个级别，性能最高。
总的来说，使用适当的优化级别可以显著提高程序的运行效率，但也需要注意代码大小的影响，以及可能出现的优化错误和不可预测的行为。因此，在选择优化级别时，需要综合考虑代码的性能需求、可靠性和可维护性等方面的因素。

3、C++代码编译-g参数验证

1.1 准备工作

以下是一段用于验证g++编译参数-g的不同级别的代码：这里会验证使用不同级别-g参数编译后程序的大小，运行速度，调试信息内容。

#include <iostream>
#include <chrono>

using namespace std::chrono;
using namespace std;
#define PI 3.14              // 未使用的宏定义
#define ADD(x, y) (x + y)    // 使用的宏

int g_x = 10;                 // 使用的全局变量
int g_y = 20;                 // 未使用的全局变量
const int g_cx = 100;         // 使用的全局常量
const int g_cy = 200;         // 未使用的全局常量
static int g_sx = 1000;       // 使用的static全局变量
static int g_sy = 2000;       // 未使用static的全局变量

int add(int a, int b)       // 未使用的函数
{
    int temp = a + b;
    return temp;
}

void runTime()             // 验证运行时间
{
    int n = 100000000;
    int sum = 0;
    auto start = high_resolution_clock::now();  // 记录开始时间
    for (int i = 1; i <= n; ++i) 
    {
        sum = add(sum, i);
    }
    for (int i = 1; i <= n; ++i) 
    {
        sum = add(sum, i);
    }
    auto end = high_resolution_clock::now();  // 记录结束时间
    auto duration = duration_cast<microseconds>(end - start);  // 计算运行时间
    cout << "sum = " << sum << endl;
    cout << "time = " << duration.count() << " microseconds" << endl;
}

int main ()
{
    int a = 100;            // 使用的局部变量
    int b = 200;            // 未使用的局部变量
    const int ca = 101;            // 使用的局部常量
    const int cb = 202;            // 未使用的局部常量
    static int sa = 101;            // 使用的static变量
    static int sb = 202;            // 未使用的static变量

    cout << ADD(a, g_x) << endl; 
    cout << ADD(ca, g_cx) << endl; 
    cout << ADD(sa, g_sx) << endl; 
    
    runTime();

    return 0;
}

在使用g++编译此代码时，可以通过-g参数设置不同的调试信息级别。具体来说，-g参数有以下不同级别：
- -g：以操作系统的本机格式（stabs、COFF、XCOFF或DWARF）生成调试信息。GDB可以使用这些调试信息。
- -g0：不生成任何调试信息。
- -g1：生成基本的调试信息，包括外部变量、函数名和行号。
- -g2：生成更详细的调试信息，包括局部变量和类型信息。
- -g3：生成最详细的调试信息，包括源代码和宏定义。现在新版本的gcc编译器默认使用DWARF5，DWARF5是DWARF格式的最新版本，它在前几个版本的基础上增加了一些新的特性。然而，DWARF5并不支持展开宏定义。需要加上-gdwarf-2、-gdwarf-3或者-gdwarf-4参数使用低版本的DWARF。
下面是使用不同级别的-g参数编译上述代码的命令和输出：旧版本的编译器不一定支持-gdwarf-4，可以选择使用-2。

g++ test.cpp -o test          # 不使用-g参数
g++ -gdwarf-4 -g test.cpp -o test-g     # 使用默认-g参数
g++ -gdwarf-4 -g0 test.cpp -o test-g0   # 使用-g0参数
g++ -gdwarf-4 -g1 test.cpp -o test-g1   # 使用-g1参数
g++ -gdwarf-4 -g2 test.cpp -o test-g2   # 使用-g2参数
g++ -gdwarf-4 -g3 test.cpp -o test-g3   # 使用-g3参数

1.2 验证不同级别-g参数对大小、性能的影响

使用ll -Slr命令将所有编译后的程序按大小从小到大排序显示，如图所示，不使用-g参数和使用-g0参数编译的程序大小相同，使用-g和-g2参数编译的程序大小相同，说明不使用-g参数编译默认为关闭调试信息，使用默认-g参数编译默认为2级调试信息。

在这里插入图片描述

分别将每个程序执行10次，将消耗的时间放到Excel中，如下图所示，不同级别的-g参数对程序运行速度基本没什么影响。（由于测试程序较为简单，测试数据量较少，所以结果仅代表个人观点）

在这里插入图片描述

1.3 验证不同级别-g参数对调试的影响

使用下列GDB命令来验证不同-g参数的效果：
1. b main：在main函数开始位置设置一个断点。详细用法
2. run：使用该命令在 GDB 下启动程序。详细用法
3. next count：继续向下执行count行代码。详细用法
4. info locals：打印所选帧的局部变量，每个变量都在单独的一行上。这些都是在所选帧的执行点可访问的所有变量（声明为静态或自动）。详细用法
5. list main：打印以main函数开头为中心的源代码信息（如果找不到源代码文件则不显示）。详细用法
6. list 1,10：打印1~10行的源代码信息。
7. print x：打印变量x或者函数x的值，如果要打印局部变量的值，需要运行到局部变量所在作用域内部，执行到过函数所在行。详细用法
8. info functions：打印所有已定义函数的名称和数据类型。此命令按源文件对其输出进行分组，并用其源行号注释每个函数定义。详细用法
9. info variables：打印在函数之外定义的所有变量的名称和数据类型（即不包括局部变量）。打印的变量按源文件分组，并用它们各自的源行号进行注释。
10. info source：显示有关当前源文件的信息，即包含当前执行点的函数的源文件：
  - 源文件的名称以及包含该源文件的目录，
  - 它编译的目录，
  - 其长度以行为单位，
  - 它是用哪种编程语言编写的，
  - 如果调试信息提供了它，则编译文件的程序（其可以包括例如编译器版本和命令行参数），
  - 可执行文件是否包括该文件的调试信息，如果是，信息的格式是什么（例如，STABS、Dwarf 2等），以及调试信息是否包括关于预处理器宏的信息。
11. info macro ADD：显示指定宏的当前定义或所有定义，并描述建立该定义的源位置或编译器命令行。详细用法
分别使用四个终端窗口，使用gdb打开不同-g参数编译的可执行程序；

在这里插入图片描述

分别使用list 1,10命令打印源代码1~10行的信息，可看出：
- -g0编译的test-g0显示：未加载任何符号表。使用“file”命令。
- 使用-g1 -g2 -g3编译的可执行程序可调用源代码文件，打印源码信息。

在这里插入图片描述

分别执行info functions命令，可以看出：
- -g0编译的test-g0无法显示定义的函数信息，只有在调试符号中可以看见函数名；
- 使用-g1 -g2 -g3编译的可执行程序可显示定义的函数信息。

在这里插入图片描述

分别执行info variables 命令，可以看出：
- test-g0无法显示定义的外部变量信息，只有在调试符号中包含外部变量名，main函数中定义的static变量名；
- test-g1可以显示定义的普通外部变量信息，而定义的全局常量、static修饰的全局变量都只能在调试符号中看见名称；
- test-g2、test-g3可以看见头文件中定义的变量、常量名称，test.cpp中定义的全局变量、静态全局变量，全局常量，而main函数中定义的静态局部变量只能在符号表中看见名称；

在这里插入图片描述

分别执行info source命令，可以看出：
- test-g0无法打印信息；
- test-g1、test-g2、test-g3均可以显示有关当前源文件的信息，ui并且可看出调试信息使用的是DWARF4格式。

在这里插入图片描述

分别执行info macro ADD命令，可以看出：
- test-g0、test-g1、test-g2均不能显示宏定义信息；
- test-g3可以宏ADD的详细信息。

在这里插入图片描述

使用cat -n test.cpp命令显示源代码文件，并且带上行号；
在gdb里分别使用b 54命令在第54行打上断点，可以看出：
- test-g0无法打断点；
- test-g1、test-g2、test-g3成功打上断点。

在这里插入图片描述

分别使用run命令运行可执行程序，可以看出：
- test-g0直接执行完成并退出程序，无法停止；
- test-g1、test-g2、tst-g3成功停止在断点位置。

在这里插入图片描述

分别执行info locals命令，可以看出：
- test-g0由于程序执行完成退出了，无法打印局部变量信息，显示No frame selected.
- test-g1显示没有局部变量No locals.；
- test-g2、test-g3均成功打印所有的局部变量信息；

在这里插入图片描述

分别使用print命令打印定义的12个变量、常量，可以看出：
- test-g0可以打印出局部变量、静态局部变量打印的一串{}中的数字不知道是什么；
- test-g1可以打印出全局变量、局部变量、静态局部变量打印的一串{}中的数字不知道是什么；
- test-g2、test-g3可以打印出所有变量、常量的值。

在这里插入图片描述

分别使用print命令打印程序中的3个函数，可以看出：
- test-g0无法打印函数的调试符号信息，只有<>中的函数名称；
- test-g1打印的{}中的调试符号全部都是void类型；
- test-g2、test-g3打印的{}中的调试符号和函数的实际参数、返回值相同。

在这里插入图片描述

4、总结

我们可以通过学习GCC编译器参数，在程序编译时选择合适的优化参数和生成调试信息参数，在运行性能、程序大小、调试方便三个方向进行权衡利弊。

例如在不需要考虑性能时可以完全关闭优化，生成尽可能多的调试信息，以方便调试；

而有些程序运行需要一定的性能，就可以选择开启一定较低级别的优化。

文章中所述内容多有不足，欢迎一起交流学习。

posted @ 2023-04-08 14:59 mahuifa 阅读(0) 评论(0) 编辑收藏举报来源

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C++(Qt)软件调试---验证GCC编译优化和生成调试信息（8） 原创

C++(Qt)软件调试—验证GCC编译优化和生成调试信息（8）

文章目录

1、前言

1.1 编译器优化是什么

1.2 调试信息是什么

1.3 适用范围和测试环境

2、C++代码编译-O参数验证

1.1 准备工作

1.2 验证不同-O参数对程序大小、性能的影响

3、C++代码编译-g参数验证

1.1 准备工作

1.2 验证不同级别-g参数对大小、性能的影响

1.3 验证不同级别-g参数对调试的影响

4、总结

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