C LANGUAGE TECHNOLOGY

【C言語】コンパイラの最適化と戦うあなたへ

悩んでいる人

C言語のコンパイラの最適化でプログラムが正常に動作しないんだけど...C言語からアセンブリ言語への変換箇所を特定する方法を教えて!

こういった悩みにお答えします.

本記事の信頼性

  • リアルタイムシステムの研究歴12年.
  • 東大教員の時に,英語でOSの授業.
  • 2012年9月~2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)で客員研究員として勤務.C言語でリアルタイムLinuxの研究開発
  • プログラミング歴15年以上,習得している言語: C/C++,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,Assembler (x64,ARM).
  • 東大教員の時に,C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」,C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

C言語のコンパイラの最適化による不具合

C言語のコンパイラ(主にGCC)の最適化でプログラムが正常に動作しなかった経験がありませんか?

コンパイラの最適化は,プログラムの実行速度を向上するメリットがありますが,コードが正常に動作しなくなることがあるデメリットがあります.

その時に,C言語の処理が正しくアセンブリ言語に変換されているかどうかチェックしたいですよね.

そんなあなたにおすすめするC言語からアセンブリ言語への変換箇所を特定する方法を教えます.

C言語歴15年以上の私が実際に使っている方法ですので,是非習得しましょう!

C言語からアセンブリ言語への変換箇所を特定する方法

C言語からアセンブリ言語への変換箇所を特定する方法はasm volatile("label:")を挿入することです.

ここで,asm volatile("label:")はアセンブリ言語をC言語の中で利用できるGCC拡張です.

Visual Studioでは利用できないことに注意して下さい.

以下のコードのラベル名は__beginと__endとしましたが,関数名やグローバル変数名と同じ名前でなければ何でも良いです.

ループ処理のコード例

ループ処理のコード例は以下になります.

実行結果は以下になります.

ディスアセンブル(「objdump -Da a.out」を実行)の結果は以下になります.

main関数の中に__beginと__endのラベルがあり,その間にあるアセンブリ言語がループ処理になっていることがわかります.

コンパイラの最適化の注意点

asm volatile("label:")を利用する場合におけるコンパイラの最適化の注意点を説明します.

ループ処理のコード例(中身なし)は以下になります.

for文の中身がないこと以外は前回のコードと同じです.

コンパイラの最適化なしのディスアセンブルの結果

コンパイラの最適化なしの実行結果は以下になります.

もちろん何も出力されません.

ディスアセンブルの結果は以下になります.

main関数の中に__beginと__endのラベルがあることがわかります.

コンパイラの最適化ありのディスアセンブルの結果

コンパイラの最適化あり(-O2オプション)の実行結果は以下になります.

同様に何も出力されません.

ディスアセンブルの結果は以下になります.

main関数の中に__beginラベルはありますが,__endラベルがコンパイラの最適化でなくなっていて,__startラベルが配置されています.

また,コンパイラの最適化なしの場合と比較すると,__beginの中身も変更されています.

このようにasm volatile("label:")を利用することで,コンパイラの最適化によるアセンブリ言語の変換箇所が簡単に特定できますよね.

質問:objdumpコマンドで-Sオプションの方が良いのでは?

Twitterで「objdumpコマンドで-Sオプションの方が良いのでは?」という質問を頂きました.

ご指摘の通り,objdump コマンドで-Sオプションを利用するとコードを表示することはできます.

もちろん,この方法もおすすめできますが,asm volatile("label:")は自分が知りたい特定の場所のみをピンポイントで知りたい場合に効果的です.

両方の良いところをうまく使い分けると良いと思います.

まとめ

C言語からアセンブリ言語への変換箇所を特定する方法としてGCC拡張のasm volatile("label:")を紹介しました.

asm volatile("label:")を利用することで,コンパイラの最適化による処理の変換箇所を見つけることが簡単になります.

とても実用的なので,早速あなたのコードで使ってみましょう!

C言語を独学で習得することは難しいです.

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© 2021 元東大教員/アメリカのスタートアップCTO