浅谈编译器对代码的优化

浅谈编译器对代码的优化

本文为看雪论坛优秀文章

看雪论坛作者ID:彼岸风

在学习 Andorid 逆向的过程中,发现无论是哪种编译器,生成哪个平台的代码,其优化思路在本质上如出一辙,在 Windwos 平台所使用的技巧,在安卓平台仍然适用,不外乎乘法除法计算的优化,swtich 判定树的优化,对 if 条件句的优化,while 循环的优化等等,编写本文的目的也就是为了对已学的知识进行总结。

这里强烈推荐老钱和老张写的《C++反汇编与逆向分析技术揭秘》,本文大部分知识点都将以此书作为参考,我个人是不太喜欢看直播和视屏教程的,因为有些关键知识点可能老师一句话就带过去了,要想回来看还得来回拉进度条,但是书不一样,遇到读不懂的地方可以停下来仔细思考,想回头看也就是翻几页的事情,遇到那种写的特别细的作者,那读起来更是一种享受。

本文列举的代码和汇编只是为了更好的说明思路,并不代表实际代码,好了话不多说,进入正题。

优化方向

  • 编译速度优化

  • 执行速度优化

  • 程序体积优化

对于 Debug 版程序,编译器为了满足单步调试需求,不会对无意义的代码进行优化。无意义的意思是没有发生传递,没有赋值到内存空间。





常见的优化类型


常量折叠

更像是预处理,编译器会将所有可预见的值直接写成立即数。
int n = 2 + 3 * 6;// 编译器在处理这段代码时会直接将变量赋予立即数+// mov n, 20


常量传播

是常量折叠的“进阶版”,编译器会扫描整个代码段,对所有非变量运算直接计算出结果。
int n = 2 + 3 * 6;int m = n * 10;// mov m, 200


减少变量

未使用即是无意义,无意义的代码都会被优化,上述的两个示例,在实际编译中是会直接被优化掉的,因为并未被用于函数传参和其他操作。
编译虽然能通过,但不会产生任何代码,因为没有传递结果,对后续的代码执行不会造成任何影响。
int funtion1() {    int n = 2 + 3 * 6;    int m = n * 10;    return 0;}// 无意义的变量,这个函数被编译为汇编也将只有一句代码// mov eax, 0  int funtion2() {    int n = 2 + 3 * 6;    int m = n * 10;    return m;}// 有意义的变量,但因为常量传播,也只有一句代码// mov eax, 200


分支优化

对于所有不可达的分支也会直接被裁剪。
if(false) {    printf("you can't find me");}
在书中还有更多优化示例,这里不做过多列举,其根本就是以上几种优化方式,无意义的代码将被删除,冗余的代码将会被精简,照着这种思路想就对了。得益于编译器的强大,使得再烂的代码也能保持高效。





数学计算上对算法的优化


我将会穿插使用 x86 和 arm 汇编,主要指令都大差不差,理解意义即可。

加法

加法没有任何优化空间,一个 add 指令所需的 cpu 周期本就很短,除了上述的常量折叠外,一般不会对其进行改动。

减法

理论上加法和减法的指令周期是一致的,也不排除有些编译器会将减数转成补码进行相加,遇到补码也能一眼看出来,直接就可以认定这条指令为减法。

乘法

变量乘常量

  • 常量为2的幂

乘法将会被替换为执行周期更短的移位指令。

int fun(int n) {    return n * 16;}// mov eax, n// shl eax, 4
  • 常量为非2的幂

因为 thumb 和 x86 指令集的差异,安卓平台上处理的更好一些。
我并不推荐你把自己当成编译器,看到算式想着怎么转成汇编,而是推荐记下这种算法,看到计算过程知道怎么转成原式,当然也不追求100%还原,逻辑一致即可。
编译器会对非2的幂进行拆解,例如:
  • n * 15 = n * 16 - n = n << 4 - n

  • n * 12 = n * 3 * 4 = (n << 1 + n) << 2


int value = n * 15;// rsb.w r0, r1, r1, lsl #4 int value = n * 12;// add.w r0, r1, r1, lsl #1
当然 windows 平台也不是一无是处,某些乘法会通过 lea 将两条指令合并成一条。
  • n * 4 + 5 = lea edx, [ecx * 4 + 5]

printf("%d", n * 4 + 5);// mov ecx, n// lea edx, [ecx * 4 + 5]// push edx
至于值为不可拆分的素数,就改用 mul 指令。

变量乘变量

这一步没有什么优化空间,因为都是未知的,只能老老实实用 mul 指令。
int fun(int n, int m) {    return n * m;}// mov eax, n// mov ecx, m// imul ecx


除法

在看下面内容之前,不妨再问问自己,真的了解除法吗?除法的本质是什么?
ok,现在是复习时间,简单总结一下以下两个问题。
  • 符号问题

    1. 两个无符号整数相除,结果依然是无符号

    2. 两个有符号整数相除,结果依然是有符号

    3. 混除,参数全被当成无符号计算,结果是无符号


  • 取整问题

    1. 向下取整 —— floor 函数    存在误差 => ( - a / b ) + ( a / b ) != - ( a / b ) - ( a / b )

    2. 向上取整 —— ceil 函数      存在误差 => ( - a / b ) != - ( a / b )

    3. 向零取整 —— 截断除法(Truncate),可以理解为放弃小数部分,只取整数部分,可以在任何情况保持恒等,大部分语言用的都是截断除法


除数为无符号数

  • 大数(负数)

在无符号中,负数的值是很大的,例如 -8 = 0xFFFFFFF8。

而除以这种大数,只能出现两种情况,1或 0,换个思路来想就可以写成这样:[被除数] >= [除数] ? 1 : 0  
我们来看看 thumb 下是怎么优化的?
UINT value = (UINT)n / -8;// cmn.w r0, #9    ; cmp r0, -9// it hi// movhi r1, #1    ; n > -9 ? 1 : 0
他这里做了一个小小的变形:[被除数] > [除数 - 1] ? 1 : 0,逻辑上仍然成立。
  • 2的幂

简单的移位

UINT value = (UINT)n / 4;// lsrs r1, r0, #2
  • 非2的幂

接下来就要引入一个非常魔幻的设定,magic number。说来这个魔数,依稀记得早在几年前的知乎上看到过一篇文章,讲的是雷神之锤游戏引擎就使用了这么一个魔数,那时的cpu是非常低效的,而为了避免使用除法这种 cpu 周期偏长的指令,天才的程序员们想出了各种奇技淫巧,其中最为后人津津乐道的就是游戏中对平方根倒数的优化,将计算过程等价替换为加法和移位操作,损失少量的精度来换取绝对的性能。
我们这里的魔数稍有不同,它是用来优化除法的,而且逻辑上也相对容易理解一些,废话不多说,进入正题。
对于普通除法,我们可以得到以下的换算:(x => 被除数变量,c => 除数常量,M => 魔数)
浅谈编译器对代码的优化
假设用 M 代替 2^n / c 这个 Magic 变量,于是有:
浅谈编译器对代码的优化
也就是说,除法将会被转会成 (x * M) >> n 的逻辑进行运算,至于 M 和 n 值怎么来的,我们不关心,这是编译器根据除数算出来的最优值,会尽力保证偏差达到最小,我们要做的是认出魔数和移了多少位,然后根据 m = 2^n/c 公式求得原本的除数 c = 2^n/m
公式来源于《C++反汇编与逆向分析技术揭秘》,真的是非常非常的细,书中整个推导过程很完整,很建议各位去仔细研读一遍
以下代码为例:
printf("%u", (unsigned)argc / 3);// mov eax, 0xAAAAAAAB   ; M// mul [argc]            ; edx:eax = argc * M// shr edx, 1            ; edx = argc * M >> 32 >> 1// push edx
浅谈编译器对代码的优化
这个属于总结篇,windows篇可以先看我以前的笔记:https://note.youdao.com/s/5tc2zdgo



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https://bbs.pediy.com/user-home-937323.htm

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原文始发于微信公众号(看雪学苑):浅谈编译器对代码的优化

版权声明:admin 发表于 2023年1月23日 下午6:00。
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