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在之前的实验中，我们发现，C语言代码编译出的二进制文件，其执行效率远高于Go语言编译出的二进制文件，其文件大小也小于Go语言编译生成的。
在编译C语言代码的时候，执行的指令是
gcc is_prime.c -O3 -o is_prime -lm
怀疑与编译指令中的O3有关，所有本篇博客我们就对这个参数进行一个探究。
实验环境介绍
虚拟机：host-CPU直通 Linux CentOS 8.2
CPU：Intel(R) Core(TM) i7-10700K CPU @ 3.80GHz
gcc版本：8.5.0-4
g++版本：8.5.0-4
测试所用代码
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <math.h>
bool is_prime(int n) {
if (n < 2) {
return false;
}
for (int i = 2; i <= sqrt(n); i++) {
if (n % i == 0) {
return false;
}
}
return true;
}
int main() {
for (int i = 2; i < 10000000; i++) {
if (is_prime(i)) {
printf("%d\n", i);
}
}
return 0;
}
实验设计
分别用如下指令进行程序编译，得到5个不同的二进制文件
gcc is_prime.c -O3 -o is_prime_O3 -lm
gcc is_prime.c -O2 -o is_prime_O2 -lm
gcc is_prime.c -O1 -o is_prime_O1 -lm
gcc is_prime.c -O0 -o is_prime_O0 -lm
gcc is_prime.c -o is_prime -lm
分别统计每个程序的执行时间，可以看出，-O3的性能远高于-O0
/bin/time -vvv ./is_prime_O3 > /dev/null => 3.19 s
/bin/time -vvv ./is_prime_O2 > /dev/null => 3.61 s
/bin/time -vvv ./is_prime_O1 > /dev/null => 4.02 s
/bin/time -vvv ./is_prime_O0 > /dev/null => 8.73 s
/bin/time -vvv ./is_prime > /dev/null => 8.75 s
通过md5sum 查看生成的二进制可执行文件，发现is_prime文件和is_prime_O0是一致的，即gcc默认采用了-O0优化
我们直接对比is_prime_O0和is_prime_O3这两个程序的性能差异，通过objdump -S指令查看两者汇编代码层的差异
利用BCompare工具，截取了其中一段差异较大的汇编代码，左图为-O3程序的汇编指令，右图为-O0程序的汇编指令
对比发现，-O3程序采用了一些更高级的汇编指令。
进一步探究，猜测两者的性能差异主要来自于sqrtsd这个汇编指令。因为整个运算中最消耗计算资源的是开方操作。sqrtsd是x86架构的一条汇编指令，用于计算一个双精度浮点数的平方根。为了验证这个想法，我将代码进行了简单改造，将sqrt(n)替换为了>>1，即右移一位。
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <math.h>
bool is_prime(int n) {
if (n < 2) {
return false;
}
for (int i = 2; i <= n >> 1; i++) {
if (n % i == 0) {
return false;
}
}
return true;
}
int main() {
for (int i = 2; i < 1000000; i++) {
if (is_prime(i)) {
printf("%d\n", i);
}
}
return 0;
}
测试了一下gcc -O3和gcc -O0的运行时间差异，惊奇地发现，-O3和-O0的执行时间完全一致，均为33.46s，也就是从侧面应证了，在上述实验中，性能差异的主要来自于开方操作。
# /usr/bin/time -vvv ./is_prime > /dev/null
Command being timed: "./is_prime"
User time (seconds): 33.46
System time (seconds): 0.00
Percent of CPU this job got: 99%
Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:33.57
Average shared text size (kbytes): 0
Average unshared data size (kbytes): 0
Average stack size (kbytes): 0
Average total size (kbytes): 0
Maximum resident set size (kbytes): 1376
Average resident set size (kbytes): 0
Major (requiring I/O) page faults: 0
Minor (reclaiming a frame) page faults: 57
Voluntary context switches: 1
Involuntary context switches: 85
Swaps: 0
File system inputs: 0
File system outputs: 0
Socket messages sent: 0
Socket messages received: 0
Signals delivered: 0
Page size (bytes): 4096
Exit status: 0
初步结论
在大多数场景下，gcc -O3比gcc -O0有更优的性能。
在某些场景下，例如程序相对简单的时候，gcc没有太多优化空间，此时gcc -O3的效果与gcc -O0的效果完全一致。
下一步计划
C/C++一般都采用动态编译，就需要依赖动态链接库，为什么不采用静态编译呢？两者有咋样的性能差异呢？下次博客我们来探索这个问题~~
