读懂 -O2 做了什么

一句话总结

到这里做出来的各个阶段——解析、语义分析、中间表示、优化、寄存器分配、代码生成——在 gcc 和 clang 里也原样存在。把它们的输出（-S 的汇编、-emit-llvm 的 LLVM IR、objdump -d 的机器码）按函数切开来数一数，优化做了什么——是不是把调用融化掉了、是不是把循环折叠成了一个常量、是不是把除法换成了乘法、是不是把递归变成了循环——就会用数字呈现出来。

为什么需要它

知道“用 -O2 构建会变快”，却不知道什么变快了，遇到性能问题就只能靠猜。反过来，遇到“只有在 -O2 下结果才奇怪”的 bug，在怀疑编译器之前，有一件事可以先确认——这段代码是不是依赖了未定义行为。两种情况的答案，都是直接去读编译器的输出。本模块把这种读的眼力，接在前面九个模块里亲手做过的东西上。

工作原理

材料 /opt/fixtures/mini/real/opt.c 里的每个函数，各自瞄准一种变换。

函数	-O2 做的事	汇编中看到的东西
`sum_to`	把从 1 加到 100 的循环整个算出来	`movl $5050, %eax` · `ret` 两行
`sum_squares`	把 `square` 的调用融进去（内联）	`call square` 消失了
`div10`	把除法（idiv，几十个周期）换成乘法和移位	`movabsq $7378697629483820647` · `imulq` · `sarq`
`fact`	把尾递归变成循环	`call fact` 消失，出现了向后的跳转
`always`	把 `x + 1 > x` 当作恒为真（假定有符号溢出不会发生）	`movl $1, %eax` · `ret`
`fib`	把递归部分展开，并把寄存器全部用上	指令数有时会超过 -O0 的十倍

除法的魔数。x / 10 等于 x × 0x6666666666666667 ÷ 2^66（再加一次负数修正）。0x6666…67 是把 2^66 / 10 向上取整得到的数。乘法只要几个周期，除法却要几十个周期，所以当除数是常量时，编译器几乎总会这样改。换一个除数重新编译，魔数也会变——所以本实验的评分器会生成变体来试。

未定义行为与优化。always(int x) { return x + 1 > x; } 在 x 为 INT_MAX 时会溢出，而在 C 里，有符号整数的溢出是未定义行为。编译器可以假定“这种事不会发生”，所以把整个表达式折叠成 1。无符号的 uwrap 不能这样做，因为溢出被定义为回绕，所以实际的比较会保留下来。mini 之所以把溢出定义为“回绕”，原因就在这里——定义好之后，解释器、VM 和原生代码就必须给出同样的答案，优化器也不能改变这个答案。

LLVM IR 与 SSA。clang -S -emit-llvm 会把 LLVM 的中间表示用文本显示出来。在 -O0 下，每个局部变量都是一个 alloca（栈格子），每次使用都是 load，每次修改都是 store——和第 8 个模块的代码生成器是同一种方式。在 -O1 下，这些格子消失了（mem2reg、SROA），并在两条路径汇合的地方出现了 phi——正是第 7 个模块里用支配边界算出位置的那个 φ。

-O0: fib              %2 = alloca i64          -O1: fib           %6 = phi i64 [ … ], [ … ]
                      store i64 %0, ptr %3                         (alloca·load·store 없음)
                      %4 = load i64, ptr %3

JIT 做的也是同样的事。JVM 的 JIT（HotSpot C2）和浏览器的 V8，会在运行中跑这些阶段。区别只在于，输入里多了运行中看到的事实（这个调用点总是传来这种类型），所以本模块中读到的变换——内联、常量折叠、循环变换——在 JIT 日志里也原样可见。

在现场相遇的样子

Compiler Explorer 与 objdump -d。在性能评审中，确认“这个循环有没有被向量化”“这个函数有没有被内联”，最快的办法就是读输出。objdump -d --no-show-raw-insn 실행파일（占位符为可执行文件名）对已经烧制好的二进制文件也能显示同样的内容。
只在 -O2 下出现的 bug。有符号溢出、未初始化的变量、违反指针别名规则，在 -O0 下碰巧是对的，在 -O2 下就错了。先用 -fwrapv（把有符号溢出定义为回绕）或 -fsanitize=undefined 来确认。
构建选项就是契约。修改发布二进制文件的 -O 级别，应当与修改代码同等对待。同样的源码，指令数可能相差十倍，未定义行为的结果也会改变。

下一项实验要做什么

在 readasm.py 中做出把 gcc 汇编切成按函数划分的指令列表的解析器、指令数与调用列表、找出被折叠成常量的函数、提取除法的魔数、统计向后的跳转（循环的痕迹）、统计 LLVM IR 中按函数划分的指令和指令种类、比较 -O0 与 -O1 的内存指令和 φ。最后，把 opt.c 和你在第 8 个模块里做的代码生成器所生成的 fib 并排数一数，写成报告留下来。