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编译器优化 Pass 核心总结 (LLVM/IPO) ​

本文档总结了七种常见的编译器过程间优化（IPO）策略，涵盖其原理、处理机制及最终产生的代码效果。

1. 函数内联类 (Inlining Family) ​

Inline (标准内联) ​

  • 定义：将被调用函数（Callee）的代码直接嵌入到调用者（Caller）中，替换 call 指令。
  • 处理机制：基于代价模型 (Cost Model)。编译器计算收益（消除调用开销、暴露后续优化）与成本（代码膨胀导致 I-Cache 未命中）。只有收益 > 成本时才执行。
  • 结果：
    • 消除了 call/ret 指令及参数压栈开销。
    • 上下文暴露，解锁常量传播和死代码消除。

Always-inline (强制内联) ​

  • 定义：忽略代价模型，强制将函数内联。
  • 处理机制：由开发者通过 __attribute__((always_inline)) 或 __forceinline 标记触发。编译器只要不遇到无限递归等硬性障碍，就会无条件内联。
  • 结果：
    • 确定性：保证关键路径（如底层驱动、汇编封装）无函数调用开销。
    • 风险：滥用会导致二进制体积剧烈膨胀。

Partial-inliner (部分内联) ​

  • 定义：只内联函数中经常执行的“热路径”，不内联很少执行的“冷路径”（如异常处理）。
  • 处理机制：
    1. 分析 CFG（控制流图）和分支概率。
    2. Outlining：将冷路径剥离成一个新的私有辅助函数。
    3. Inlining：将剩下的热路径内联到调用处。
  • 结果：
    • 既享受了内联的速度优势，又避免了将庞大的错误处理代码复制多份。
    • 提高指令缓存（I-Cache）利用率。

2. 函数合并与参数优化 ​

Mergefunc (函数合并) ​

  • 定义：识别并合并机器码实现完全相同的不同函数（常见于 C++ 模板）。
  • 处理机制：计算函数哈希或比较结构。若函数 A 和 B 逻辑一致，保留 A，将 B 实现为跳转到 A 或作为 A 的别名。
  • 结果：
    • 显著减小二进制文件体积（ICF - Identical Code Folding）。
    • 减少指令内存占用。

Argpromotion (参数提升 / Argument Promotion) ​

  • 定义：将“引用传递（指针）”优化为“值传递”。
  • 处理机制：如果函数接收一个指针，但在内部：
    1. 指针未逃逸（未被转义或传给外部）。
    2. 只读取指针内容（Load），未修改（Store）。 则修改函数签名，直接传递被 Load 出来的值。
  • 结果：
    • 减少内存访问（Load 指令提前到调用前或消除）。
    • 增强别名分析（Alias Analysis），因为值传递没有指针别名问题。

3. 全局与作用域优化 ​

Internalize (内部化) ​

  • 定义：将本应对外可见的全局符号标记为内部私有（Internal/Static）。
  • 处理机制：在链接时优化（LTO）阶段，扫描所有模块。如果发现某全局函数或变量没有被外部库引用，将其链接属性改为 Internal。
  • 结果：
    • 解锁删除：使得 GlobalDCE 可以安全删除未被使用的函数。
    • 解锁修改：编译器可以随意修改其签名（如 ArgPromotion）而不必担心破坏 ABI。

Globalopt (全局变量优化) ​

  • 定义：优化或消除不必要的全局变量。
  • 处理机制：
    1. Global to Local：若全局变量只在 main 或特定局部链中使用，降级为局部变量（进而优化进寄存器）。
    2. Constant Folding：若全局变量只写一次，将其视为常量。
    3. Heap SRA：若全局指针只用于 main 中的 malloc，优化为栈数组。
  • 结果：
    • 减少全局内存访问，提升为寄存器操作。
    • 直接消除某些变量的存储分配。

4. 优化流水线协作示例 ​

一个典型的优化链条反应：

  1. Internalize：将函数 foo() 标记为私有。
  2. ArgPromotion：因为 foo() 私有了，编译器放心大胆地把它的 int* 参数改成 int 值传递。
  3. GlobalOpt：发现传给 foo() 的那个全局变量其实可以变成局部的。
  4. Inline：将优化后变小的 foo() 内联。
  5. Mergefunc：发现内联后的代码片段与别处重复，进行合并。
  6. GlobalDCE：清理战场，删除所有不再被引用的旧函数和变量。