【CMake 系列】（十）编译速度以及程序性能优化相关

[xizhibei]

写 C/C++ 的同学都知道，项目稍大点，编译速度就开始拖后腿了，这对于我们来说是个又爱又恨的时候：急着改代码的时候，慢能消耗我们的耐心，能将我们逼疯，而我们想暂时休息会儿的时候，却可以借此去散步喝茶了。

另外，程序运行时的速度，又是另外一个关键的速度了，编译速度慢我们可以忍，但是运行速度慢可忍不了，就算我们忍得了，领导或者用户也是无法忍的。

话说回来，为了我们自己的开发效率，提升编译速度是无可非议的，今天我们就来说说，如何在 CMake 中优化编译以及以及程序本身。

编译速度优化

Ninja Generator

CMake 的默认 Generator 是 Unix Makefiles，也就是最常见的 make 命令，但是另一个 Generator Ninja 却是更好的选择，如果你没有用过，建议试试。

CCache

最简单，也是效果最好的，就是开启编译缓存，ccache 便是我们需要的工具。

它的原理也很简单，就是包装编译器，接收编译参数、文件，当检测到没有对应缓存的时候，调用编译器，将生成物缓存到文件中去，下次如果编译参数以及文件没有变化，就能够直接从缓存文件中提取，这样，就可以大大减少重复编译时候的时间。

在 CMake 早期版本中 （2.8 Unix Makefiles 以及 3.4 Ninja 之前的版本），没有 ccache 的支持，我们需要手动设置：CMAKE_C_COMPILER 以及 CMAKE_CXX_COMPILER，将 ccache 作为前缀即可：

set(CMAKE_C_COMPILER ccache gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER ccache g++)

而另外较新版本中，就更容易了：

find_program(CCACHE_PROGRAM ccache)
if(CCACHE_PROGRAM)
  message(STATUS "Set up ccache ...")
  set_property(GLOBAL PROPERTY RULE_LAUNCH_COMPILE ccache)
  set_property(GLOBAL PROPERTY RULE_LAUNCH_LINK ccache)
endif()

然后，XCode generator 可参考 Using ccache with CMake。

或许你会怀疑它究竟有多少效果，下面的结果是我在一台机器上运行 ccache -s 的统计结果：

cache directory                     /home/me/.ccache
primary config                      /home/me/.ccache/ccache.conf
secondary config      (readonly)    /etc/ccache.conf
stats zero time                     Tue Apr  7 16:06:27 2020
cache hit (direct)                 41056
cache hit (preprocessed)            7179
cache miss                         25047
cache hit rate                     65.82 %
called for link                    10928
called for preprocessing            5929
compile failed                      3055
preprocessor error                  1325
can't use precompiled header          86
bad compiler arguments                56
autoconf compile/link               3428
no input file                        616
cleanups performed                    90
files in cache                     25512
cache size                           4.5 GB
max cache size                       5.0 GB

可以这么说，它在过去几个月的开发过程中，帮我节约了大约 65.82% 的编译时间。

Precompiled headers (PCH) 以及 Unity builds²

Precompiled headers：也就是预编译头，可以大大将少 C++ 头文件的重复编译时间，你可以将一些第三方库，比如 nlohmann/json 、spdlog/spdlog.h、Boost 以及 项目中很少变动的 C++ 头文件加到预编译中：

target_precompile_headers(<my_target> PRIVATE my_pch.h)

但是，生成的中间文件，会非常大，占用比较大的磁盘空间。

Unity builds：也可以按照字面意义上去理解，即一体化编译，将多个 CPP 文件合并到一起进行编译，这样的话：编译器可以解析更少的次数、相同模版的优化、更少编译器调用次数、链接器也会更友好。

使用也很简单：

set(CMAKE_UNITY_BUILD ON)

set_target_properties(<target> PROPERTIES UNITY_BUILD ON)

然而，这两个算是高级招数，所以不是所有的项目都适合用，没准用了之后会增加项目的维护成本，如果不知道怎么用，很可能你用无法编译成功。

具体的使用，也会挺复杂，有不少的坑，如果各位有兴趣，下次单独讲讲。

其它

• gcc 换成 clang；
• 静态链接换成动态链接；
• 换台高性能的机器，换个更好的 CPU 以及 SSD 磁盘，甚至用上内存磁盘（这种算是用钱换性能了，但是效果还是非常显著的）；

程序性能优化

对于 CMake 来说，最简单优化的莫过于将 Debug 改为 Release 模式。

另外，就是 Interprocedural optimization，你可以理解为程序级别的 Release 模式，因为普通的 Release 模式是单个文件级别的。

当然，不是每个编译器都支持，你需要先检查：

include(CheckIPOSupported)
check_ipo_supported(RESULT _IsIPOSupported)
  if(_IsIPOSupported)
  message(STATUS "Turn on INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION")
  set(CMAKE_INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION TRUE)
endif()

其实在性能优化上面，编译器能做的比较有限，更多的还是在于编码阶段，对整个程序的优化。

而业务逻辑上面，算法上面，等待，都不是编译器能解决的问题，却是能最终影响结果的。

Ref

1. Using ccache with CMake
2. CMake 3.16 added support for precompiled headers & unity builds - what you need to know