GCC와 GLIBC로 최적화하기

2006-03-13

gcc와 glibc로 어플리케이션 최적화하기 ( Optimizing Applications with gcc & glibc )

glibc 개발자인 Ulrich Drepper 가 1999년에 작성한 40페이지 분량의 글이다. 대략 관심있는 내용을 정리해본다.

사용 안되는 코드 컴파일시 제거

다음 코드는 주어진 타입에 따라 다른 작업을 하는데, int형과 long int형이 같은 플랫폼일 경우 좋지 않은 성능을 보인다.

long intadd (long int a, void *ptr, int type)
{
  if (type == 0)
    return a + *(int *)ptr;
  else
    return a + *(long int *)ptr;
}

위 코드는 다음과 같이 최적화할 수 있다. 이는 컴파일러가 알아서 최적화해준다.

long intadd (long int a, void *ptr, int type)
{
  if (sizeof(int) == sizeof(long int) || type == 0)
    return a + *(int *)ptr;
  else
    return a + *(long int *)ptr;
}

다음과 같은 방법을 이용하면 전처리기(preprocessor)가 알아서 최적화해준다.

long intadd (long int a, void *ptr, int type)
{
#if LONG_MAX != INT_MAX
  if (type == 0)
    return a + *(int *)ptr;
  else
#endif
  return a + *(long int *)ptr;
}

컴파일러 내부 함수(intrinsics) 이용하기

gcc 2.96 이후부터 많은 __builtin_* 함수가 존재한다. 이 함수들은 컴파일시에 컴파일러가 판단하여 인수가 상수이거나 정해진 크기 등일 경우 최적화된 코드를 생성해 준다. 이 함수들은 매크로인 경우도 있고 컴파일시 정적으로 링크되는 라이브러리일 수도 있다. 어떤 함수들은 컴파일러 내부 함수를 이용해 최적화되어 있다. 따라서 가능한 이러한 함수들은 별도 랩핑을 두지 않고 헤더파일을 포함하여 그대로 사용하면 더 좋은 성능의 코드를 얻을 수 있다. 내부 함수를 이용하는 함수 중에 대표적인 것들은 다음과 같은 것들이 있다.

alloca()
memcpy(), memcmp(), memset()
strcmp(), strcpy(), strlen()

더 많은 함수는 원문을 참고하면 된다.

strcpy()와 memcpy()

문자열의 크기를 이미 알고 있다면 str*() 류의 함수보다 mem*() 류의 함수를 이용하는 것이 좋다. 우선 매 바이트마다 문자열 끝 코드인 0x00을 검사하는 코드가 없어 빠르고, 무엇보다도 memcpy()는 플랫폼 기본 단위(예를 들어 32비트 플랫폼에서는 4바이트) 연산을 하기 때문에, 항상 바이트 단위로 작업하는 strcpy() 또는 strncpy()보다 빠를 수 밖에 없다.

strcat(), strncat()

절대로 strcat(), strncat() 함수는 사용하지 말아야 한다. 문자열을 합치는데 이 함수를 이용하는 것은 성능에 치명적이다. 내부적으로 strlen()을 호출하는 것 뿐 아니라 문자열을 처리하기 위한 여러 조건을 검사하기 때문에 매우 느리다. 이보다는 직접 strlen()으로 문자열 길이를 구한 뒤 memcpy()를 이용해 해당 위치에 복사하거나 필요한 작업을 하는 것이 더 현명한 방법이다.

다음은 이에 대한 샘플 코드이다.

{
  char *buf = ...;
  size_t bufmax = ...;

  /* Add 's' to the string in buffer 'buf'. */
  if (strlen(buf) + strlen(s) + 1 > bufmax)
    buf = (char *)realloc(buf, (bufmax *= 2));
  strcat(buf, s);
}

프로그래머 관점에서 이 코드는 괜찮아 보이지만, 성능은 최악이다. 다음과 같이 고치면 더 좋은 성능을 낼 수 있다.

{
  char *buf = ...;
  size_t bufmax = ...;
  size_t slen, buflen;

  /* Add 's' to the string in buffer 'buf'. */
  slen = strlen(s) + 1;
  buflen = strlen(buf);

  if (buflen + slen > bufmax)
    buf = (char *)realloc(buf, (bufmax *= 2));

  memcpy(buf + buflen, s, slen);
}

메모리 할당 최적화

malloc()과 calloc()의 차이점을 모르는 프로그래머는 없겠지만, 그래서 calloc()보다 직접 malloc() 호출 이후 memset() 등을 이용해 0으로 초기화하는 방법을 많이 이용하기도 한다. 하지만 calloc()은 커널 페이지에서 이미 0으로 초기화되어 있는 영역이 있을 경우 불필요한 초기화 과정을 건너뛰기 때문에 더 좋은 성능을 낼 수 있다.

alloca() 함수를 모르는 사람도 많은데, 이 함수는 지정한 크기의 영역을 현재 스택 영역에 할당한다. 메모리 관리자를 거치지 않고 단순히 스택 포인터 레지스터 조작만으로 할당 작업이 이루어지기 때문에 매우 성능이 좋을 뿐 아니라, 따로 해제하지 않아도 함수가 끝나는 시점에서 자동으로 해제된다. 따라서 함수 내부에서 임시로 할당하여 사용하는 많은 구현에서 malloc() 보다 alloca() 를 사용한 코드의 성능은 매우 향상된다. glibc에서 확장으로 제공하는 strdupa(), strndupa() 등의 API는 모두 이 방법을 이용한 최적화된 성능을 보장한다.

그외…

기타 이 글에서는 gprof, sprof 등을 이용한 코드 프로파일링 방법과 GCC 컴파일러 확장을 이용한 다양한 최적화 방법을 제시하고 있다. 더불어 저자는 같은 내용에 조금 더 내용이 보강된 Application Optimization on Linux 글에서 프로필과 관련된 더 자세한 정보를 제공하고 있다.

이 글에서도 언급한 내용이지만, 많은 프로그래머는 자신이 작성한 프로그램이 정말 잘 쓰여지고 성능이 좋다고 생각하지만, 불행하게도 아닌 경우가 대부분이다. 최적화된 프로그램을 작성하는 것은 항상 진행중인 배우는 과정(learning process)이다. 항상 새로운 테크닉을 배우고, 자신의 코드를 검토하고, 상호작용하는 라이브러리와 프로세서에 대해 생각해야 한다.

GCC glibc

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