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发信人: sino (柠檬红茶), 信区: Algorithm
标  题: 优化程序长度的一种方法
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年11月03日12:25:30 星期天), 站内信件

优化程序长度的一种方法

罗远群（烟台师范学院数学与计算机科学系）

摘要：
本文分析了Microsoft公司优化程序长度的P-CODE 技术的基本工作原理、P-CODE的
使用方法 以及P-CODE程序的性能。提出了P-CODE编译的程序调试时应注意的主要
问题。

关键词：程序优化 代码压缩 P-CODE 编译指示器 程序调试
 

1. 前言

用户要求应用程序有更多更全的功能，使得应用程序的代码长度持续增长，但由于
系统的开放性，有 时也要求应用程序能在多种环境下运行，有很好的可移植性。
这要限制应用程序的代码长度，减少其 运行时所占的内存容量。

Microsoft公司为了满足此需求，在其应用程序开发包中引进了一种称为
P-CODE(Packed Code, 压缩码) 的代码压缩技术。此技术与本地机器无关，在大多
数情况下，可把执行程序的长度减少大约40％，为 程序员提供了一个灵活而又容
易实现的解决方案，减少了应用程序对内存容量日益增长的需求。

2. P-CODE工作原理

P-CODE 的基本工作原理是编译器先把执行程序编译为比80X86机器码紧凑得多的中
间代码形式，然 后在链接时把一个小工作引擎嵌入执行程序中，最后在运行时由
此工作引擎把P-CODE解释为本地机器 码实际执行。为了方便使用，P-CODE技术实
现于编译过程的代码生成阶段。例如开发者在C/C++中应 用P-CODE技术时，只需把
它作为一个“优化”选项选中即可

2.1. 指令格式

在应用P-CODE技术时，链接器会自动拷贝一份长度约为9K的P-CODE工作引擎到执行
程序中，程序 运行时它仿真一个虚拟处理器。

P-CODE技术能压缩执行程序代码长度的关键就在于工作引擎的指令格式。我们知道
，在现代计算机 的指令格式中，指令除指令码外，还包括指出源和目的操作数的
地址码，真正的操作数一般放在内存 和寄存器中。而一般常用的指令格式是二地
址码结构，少量使用一地址码和零地址码结构。例如最简 单的两个寄存器值相加
汇编指令写为：ADD AX, BX; AX←(AX)+(BX)

而P-CODE是一个独立于本地机器的虚拟指令系统，其工作引擎是一个基于堆栈的虚
拟机，它的大多 数指令中只有指令码，没有地址码部分，隐含操作数存储于系统
堆栈中，因而远比本地机器指令紧 凑。同样上述的工作，P-CODE就可简化为ADDW
，它执行时从堆栈中弹出操作数，运算后的结果再 压回堆栈中。如用80x86汇编指
令表示，就等价于下列指令段：

POP AX ;弹出第一个操作数到AX寄存器中

POP BX ;弹出第二个操作数到BX寄存器中

ADD AX, BX ;把两数相加，结果存贮于AX寄存器中

PUSH AX ; 将AX寄存器中的结果压回堆栈中

2.2. 操作码长度

P-CODE引擎使用堆栈隐含寻址，使得其操作码长度平均小于2个字节，分为标准和
扩展的操作码两大 类。

标准操作码占用一个字节，由255条最常用的指令组成，扩展操作码由256条不太常
用的指令组成。有 统计表明，在一个全部编译为P-CODE的20万行的C程序中，一字
节指令使用频率为56％，占代码长度 比例为37％，二字节指令使用频率为39％，
占代码长度比例为52％，而三或四字节指令占用了余下很 小的百分比。

2.3. 引用

P-CODE技术优化执行程序长度的另一个重要特性是引用。引用就是编译器优化时，
去掉代码段的重 复现象，共享代码段的单个实例，类似于在高级语言中使用函数
或过程的方法，当然它是编译器自动 进行的。编译器优化时检查它所产生的代码
，寻找指令段重复的地方，在程序中只保留重复段的一次 出现，将所有其它出现
的地方都改为指向保留段的一条跳转指令。此技术为执行程序长度压缩了大约 5－
10％的额外空间。

2.4. 本地入口点

使用P-CODE，在程序代码中有时也会产生额外的空间开销，这就是P-CODE函数前面
的本地入口点。

当程序中局部使用P-CODE编译时，很可能会发生机器码函数调用P-CODE函数的情况
。由于P-CODE 指令段需由P-CODE引擎解释执行，这时就需要编译器在P-CODE函数
开始处额外增加几条机器指令即 本地入口点，以便机器转换控制，停止执行本地
机器码而调用P-CODE引擎，由P-CODE引擎继续解释 执行P-CODE函数。

3. P-CODE使用方法

P-CODE可用于Microsoft的Visual C++、Visual Basic等许多应用程序开发包中，
它可全局地用于整个应用 程序，也可通过使用“Pragmas”编译指示有选择地用于
局部模块中。

3.1. 全局使用方法

当要求以部分速度代价来达到程序长度的显著减小时，可对应用程序全局地使用
P-CODE编译。如主 要用于用户界面的程序，象字处理器、电子日历、小型企业财
务软件包等。

此使用方法比较简单，只要改变应用工程的编译选项，然后重新编译即可。例如在
Visual C++工程中加 上编译选项开关“/Oq”，或在Visual Basic工程属性的编译
页帧中，选中“编译为P－代码”选项。

3.2. 局部使用方法

若要在程序的速度和长度性能上达到比较平衡的满意效果，可在Visual C++源文件
中有选择性地加上P- CODE编译指示，具体地指示编译器将哪一段代码编译为
P-CODE，而将哪一段代码编译为本地机器码 格式。

P-CODE局部使用方法是将编译指示器“#Pragma Optimize(“q”,on)”置入想用
P-CODE的模块或函数 开始处，而在用P-CODE的模块或函数结束处加上编译指示器
“#Pragma Optimize(“q”,off)”。

一般来说，要想达到比较满意的使用效果，就要将主要影响程序执行速度的模块或
函数编译为本地机 器码，如频繁调用的函数、出现在循环内的函数等。而将相对
来说对程序的执行速度起次要作用、主 要影响程序长度的模块或函数编译为
P-CODE，如用户接口过程中的菜单和对话框模块，因为这里程 序执行速度上的牺
牲相对于用户的工作速度来说，是微不足道的。还有一些很少使用的模块或函数，
 如出错处理函数、一般情形下不会用到的功能模块也应编译为P-CODE。

4. P-CODE程序调试

用P-CODE编译的程序，可使用Microsoft提供的调试工具如CodeView调试器等来进
行调试。它对源代 码级和P-CODE汇编指令级二者都给予支持，所有正常的
CodeView调试器命令，如 BREAK、STEP、WATCH等在本地机器码和P-CODE码两种方
式下都会起作用，只不过在P-CODE方式 下，程序在断点暂停后，寄存器窗口显示
的是堆栈和P-CODE工作引擎的状态。

因为P-CODE的引用会产生许多跳转指令，使得目标程序调试时难于阅读和跟踪，所
以较好的策略是 在程序开发调试阶段用编译开关“/Of_”关掉引用，当程序全部
调试完毕后再打开引用优化编译开 关。

5. P-CODE性能分析

P-CODE技术的本质是用程序执行时间的少量增加来换取其长度的明显减小。虽然
P-CODE指令由工作 引擎解释执行，固有地慢于CPU本地机器码的执行，但程序总体
所需的执行时间还取决于一些系统因 素和程序员使用P-CODE的技巧。在内存一定
的环境中，大程序长度的减小也相应地减少了其执行时 所需的内存容量，从而需
要较少的虚拟内存交换页，且相应地提高了Cache命中率，因而减少了其运 行时的
系统开销，故其P-CODE版本和本地机器码版本最终在执行速度上的差异很小。另外
，采用P- CODE后，程序长度减小了，系统总的吞吐率也得到了改善。

6. 结束语

Microsoft的P-CODE技术为程序员提供了一种以少量增加运行时间代价而较方便地
压缩执行文件长度的 方法。它可通过简单地重编译而在程序中全局地使用，局部
使用时将编译指示置于关键过程之前，可 保证最大限度地压缩代码长度而使性能
损失最小化。
    
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