为什么单独编译和链接时函数的性能会有所不同？答案

【问题标题】：Why does performance of functions differ when I compile them separately and link?为什么单独编译和链接时函数的性能会有所不同？
【发布时间】：2023-03-24 01:24:01
【问题描述】：

问题：为什么我单独编译和链接时函数的性能会不同？

首先，CODE
randoms.hpp

int XORShift();
int GameRand();

randoms.cpp

static unsigned int x = 123456789;
static unsigned int y = 362436069;
static unsigned int z = 521288629;
static unsigned int w = 88675123;
int XORShift()
{
    unsigned int t = x ^ (x << 11);
    x = y;
    y = z;
    z = w;
    return w = w ^ (w >> 19) ^ (t ^ (t >> 8));
}

static unsigned int high = 0xDEADBEEF;
static unsigned int low = high ^ 0x49616E42;
int GameRand()
{
    high = (high << 16) + (high >> 16);
    high += low;
    low += high;
    return high;
}

main.cpp

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include "randoms.hpp"
using namespace std;

//Windows specific performance tracking
long long milliseconds_now() { 
    static LARGE_INTEGER s_frequency;
    static BOOL s_use_qpc = QueryPerformanceFrequency(&s_frequency);
    LARGE_INTEGER now;
    QueryPerformanceCounter(&now);
    return (1000LL * now.QuadPart) / s_frequency.QuadPart;
}

void main() {
    const int numCalls = 100000000; //100 mil
    {
        cout << "XORShift..." << endl;
        long long start = milliseconds_now();
        for(int i=0; i<numCalls; i++)
            XORShift();
        long long elapsed = milliseconds_now() - start;
        cout << "\tms: " << elapsed << endl;
    }
    {
        cout << "GameRand..." << endl;
        long long start = milliseconds_now();
        for(int i=0; i<numCalls; i++)
            GameRand();
        long long elapsed = milliseconds_now() - start;
        cout << "\tms: " << elapsed << endl;
    }
    {
        cout << "std::rand..." << endl;
        long long start = milliseconds_now();
        for(int i=0; i<numCalls; i++)
            std::rand();
        long long elapsed = milliseconds_now() - start;
        cout << "\tms: " << elapsed << endl;
    }
}

详情
我正在使用 C++ 和微软的“cl”编译器。我正在测试 3 个伪随机函数的性能。它们是 XORShift、GameRand 和 std::rand()。

分别构建main.cpp和randoms.cpp并用命令链接

cl /O2 /Oi main.cpp randoms.cpp

产生以下性能结果：

XORShift...
    ms: 520
GameRand...
    ms: 2056
std::rand...
    ms: 3800

但是，如果我忘记了标题并直接通过

包含函数

#include "randoms.cpp"

并在没有任何链接的情况下编译

cl /O2 /Oi main.cpp

我得到了非常不同的表现：

XORShift...
    ms: 234
GameRand...
    ms: 135
std::rand...
    ms: 3823

XORShift 和 GameRand 都获得了显着的加速。 GameRand 从比 XORShift 慢到更快，这很奇怪。怎样才能得到2cd测试的速度，但还是单独编译random.cpp并链接？

** 编辑 **：
感谢@sehe 的评论以及@Oswald 和@Tomasz Kłak 的回答，问题得以解决。我现在正在用命令编译

cl /O2 /Oi /GL main.cpp randoms.cpp

/GL 标志执行链接时间优化。我可以单独编译文件，仍然可以得到内联。

【问题讨论】：

google 内联和 LTO
LTO 将在链接单独的目标文件时生效，在这里我们看到包含实现 - 内联时的性能提升。
@sehe。感谢 LTO 的建议。我在 cl 编译器中包含了 /GL 标志。单独编译的性能现在与单次编译匹配。如果您将您的评论翻译成答案，我会接受。

标签： c++ windows performance build

【解决方案1】：

我想到了两件事。

首先，内联可能会受到影响（由于在编译调用站点 TU 时主体不可用，编译器无法内联代码）。在现代 C++ 中，内联是一个巨大的优化潜力（因为它会经常内联多个级别的调用，并且生成的主体经常会产生更有趣的优化）。

现在的许多编译器都有一个链接时间优化标志，让你有你的蛋糕，也吃它。这可能有利于您的情况

以增加链接时间为代价
只要静态链接的对象包含相关定义（即：不包含动态链接等）

【讨论】：

【解决方案2】：

如果函数在定义它的同一翻译单元中使用，则可以内联该用法，从而消除函数调用的开销。

【讨论】：

【解决方案3】：

这是因为内联。因为在编译main.cpp 时，编译器会看到函数定义，它可以在调用点将它们内联，而不是为实际的函数调用生成代码 - 您可以节省调用帧。

【讨论】：