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Linux如何优化程序的体积大小?

回答
瘦身有道:Linux 程序体积优化深度解析

在 Linux 系统中,程序的体积大小并非仅仅是占用磁盘空间那么简单。过大的程序不仅会拖慢系统的启动速度和运行效率,更可能成为内存的“饥渴大户”,在资源受限的环境下显得尤为碍眼。因此,对程序的体积进行优化,是每个严谨的开发者都应该重视的环节。本文将带你深入了解 Linux 程序瘦身之道,让你从根源上掌握优化技巧。

一、 源头追溯:理解程序体积的构成

在动手优化之前,我们必须先明白一个程序究竟是由哪些“零件”构成的,它们又如何影响最终的体积。一个典型的 Linux 可执行程序,其体积主要包含以下几个部分:

代码段 (Text Segment): 这是程序指令的所在地,也是编译链接后最核心的部分。
数据段 (Data Segment): 存放程序运行时需要使用的全局变量和静态变量。
BSS 段 (Block Started by Symbol): 用于存放未初始化的全局变量和静态变量。这部分在程序加载时会被清零,因此不占用可执行文件本身的空间,但会在运行时占用内存。
符号表 (Symbol Table): 包含函数名、变量名等调试信息。这部分对于程序运行来说并非必需,但对于调试至关重要。
调试信息 (Debug Information): 例如 DWARF 格式的调试信息,它们提供了更详细的符号、行号等信息,是调试器破案的“现场证据”。
链接库依赖 (Shared Libraries): 程序运行时需要动态链接的库,这些库本身并不包含在可执行文件中,但它们的存在是程序运行的必要条件。尽管不直接计入可执行文件大小,但它们是影响整体资源占用率的重要因素。

二、 精雕细琢:从编译链接层面入手

程序的体积优化,很大程度上取决于编译和链接阶段的策略。我们可以通过一系列编译器选项来“精简”程序。

1. 移除不必要的调试信息

正如前文所述,调试信息虽然对开发有益,但对最终产品的运行却毫无用处,并且会显著增加程序体积。

GCC/Clang 选项:
`g0` 或 `g`: 这是最直接的方式,告诉编译器不要包含任何调试信息。
`ffunctionsections fdatasections`: 这两个选项会将每个函数和每个全局变量放入各自的 section 中。配合后面的链接器选项,可以更有效地移除未使用的代码和数据。

2. 启用优化级别

编译器优化不仅仅是为了提高运行速度,许多优化选项也能间接减少代码体积。

GCC/Clang 选项:
`Os`: 这是专门为减小代码体积而设计的优化级别。它会在保持一定性能的前提下,尽可能地缩减代码大小。
`Oz`: 比 `Os` 更进一步,会不惜一切代价减小代码体积,可能会对性能产生更显著的影响。在内存非常受限的环境下可以考虑使用。
`O2` 或 `O3`: 虽然主要目标是提高性能,但一些内联、死代码消除等优化也能带来一定的体积缩减。不过,有时候激进的优化(如 `O3`)可能会因为代码的展开而适得其反,导致体积增大。

3. 剥离符号表

链接器在生成可执行文件时,默认会保留一份符号表,其中包含各种符号信息。对于发布版本的程序,这份符号表是冗余的。

`strip` 命令: 这是 Linux 系统下专门用于剥离程序符号表和调试信息的工具。
`strip program_name`: 移除所有符号和调试信息。
`strip stripdebug program_name`: 只移除调试信息。
`strip stripunneeded program_name`: 移除所有非必需的符号(例如,只被链接器需要的符号)。

通常情况下,我们会在编译完成后,但部署前对目标程序执行 `strip` 命令。

4. 利用链接器脚本进一步优化

链接器脚本 (linker script) 提供了对输出文件结构的更精细控制。我们可以通过自定义链接器脚本来移除不必要的段或重新组织它们。

移除未使用的库函数: 很多时候,我们的程序可能只使用了一个库中的某个小功能,但链接器可能会默认包含整个库。通过精心编写链接器脚本,我们可以指示链接器只链接真正需要的库函数的特定部分。
合并段: 可以将一些小的段合并起来,减少段的数量,有时也能带来微小的体积缩减。

编写链接器脚本是一项相对高级的技巧,需要对 ELF 文件格式有深入的理解。可以通过查看当前链接器脚本(例如,使用 `ld verbose` 命令)来学习和修改。

5. 考虑静态链接 vs. 动态链接

这虽然不是直接优化单个可执行文件的体积,但对整个系统资源占用至关重要。

动态链接 (Dynamic Linking): 程序运行时从共享库(如 `.so` 文件)加载所需函数。优点是共享库可以被多个程序共享,大大减小了单个程序的体积和内存占用。缺点是需要系统安装相应的共享库,并且在某些情况下可能引入版本冲突。
静态链接 (Static Linking): 将所有所需的库函数直接打包进可执行文件中。优点是程序独立性强,无需担心外部库的依赖。缺点是单个程序体积会显著增大,并且如果库有更新,程序也需要重新编译链接。

在需要极小体积或者独立部署的场景下,可能需要考虑静态链接,但对于大多数通用程序,动态链接是更优的选择。

三、 代码层面:开发过程中的体积控制

优化不仅仅是编译链接的事情,在编写代码时就应该有“体积意识”。

1. 避免不必要的库和依赖

审慎引入第三方库: 在引入任何第三方库之前,仔细评估其必要性、功能以及可能带来的体积“负担”。很多情况下,我们可以找到更轻量级的替代品,或者通过自己实现部分功能来避免引入大型库。
模块化设计: 将程序分解为更小的、可管理的模块。这样不仅有助于代码复用和维护,也使得在编译链接时更容易移除未使用的模块代码。

2. 选择高效的数据结构和算法

有些数据结构和算法虽然功能强大,但在内存占用或代码实现上可能更为庞大。

例如: 在某些场景下,使用位图 (bitmap) 可能比使用哈希表更节省空间。选择适合特定场景的、代码实现相对简单的算法。

3. 谨慎使用反射和元编程

反射和元编程技术通常会增加程序的运行时开销和代码体积,因为它们需要在运行时维护大量的元数据。除非有明确的必要性,否则应尽量避免或谨慎使用。

4. 字符串处理的优化

许多语言(如 C++)在字符串处理上可能存在性能和体积的权衡。

避免大量临时字符串的创建: 频繁创建和销毁字符串对象会增加内存碎片和堆分配的开销,间接影响程序体积。
使用常量字符串: 对于不会改变的字符串,将其声明为 `const`,编译器可能会进行优化。

5. 资源文件的管理

如果程序包含图片、音频、文本等资源文件,它们的体积也会计入程序的总体占用。

压缩资源文件: 使用无损或有损压缩技术来减小资源文件的大小。
按需加载: 并非所有资源都需要在程序启动时就加载,可以根据需要延迟加载,减少初始体积。

四、 工具辅助:知己知彼的利器

了解程序的体积构成是优化的前提,而各种工具则能帮助我们“望闻问切”。

`size` 命令: 查看可执行文件的段大小信息,包括 text (代码)、data (已初始化数据)、bss (未初始化数据) 段的大小。
```bash
size program_name
```
`objdump` 命令: 强大的对象文件转储工具,可以查看 ELF 文件中的各种信息,包括反汇编代码、符号表、节信息等。
```bash
objdump h program_name 查看节信息
objdump t program_name 查看符号表
objdump d program_name 反汇编代码
```
`nm` 命令: 列出目标文件中的符号。
```bash
nm program_name
```
`readelf` 命令: 另一种查看 ELF 文件信息的工具,功能与 `objdump` 类似,但提供了更结构化的输出。
```bash
readelf a program_name
```
`ltrace` 和 `strace` 命令: 虽然它们主要用于追踪系统调用和库函数调用,但通过观察程序的行为,也能间接了解其依赖的库和函数,从而推断出可能的优化方向。

五、 进阶技巧:更深入的探索

除了上述常见方法,还有一些更高级的技巧可以进一步优化程序体积。

1. 使用 Upx 等压缩工具

UPX (Ultimate Packer for Executables) 是一款流行的可执行文件压缩工具。它可以对可执行文件进行无损压缩,并在运行时解压。

优点: 操作简单,压缩效果显著。
缺点:
可能会被杀毒软件误判为病毒(因为许多恶意软件也使用 UPX 来逃避检测)。
解压过程会消耗一定的 CPU 时间和内存。
对于某些特殊的、高度优化的程序,UPX 的压缩效果可能不佳,甚至可能导致程序无法运行。

使用方法:
```bash
upx program_name 压缩
upx d program_name 解压缩
```

2. 代码混淆与精简 (Obfuscation)

某些代码混淆工具会尝试对代码进行精简,移除注释、缩短变量名,甚至进行一定程度的指令优化。然而,这些工具的目的通常是保护代码,而不是纯粹的体积优化,并且可能引入额外的开销。

3. 利用特定编译器特性

某些编译器可能提供了一些特殊的、非标准的优化选项来进一步减小代码体积。例如,一些嵌入式系统compiler可能会提供更极端的体积优化选项。

总结与建议

优化程序的体积是一个持续的、迭代的过程。没有一种放之四海而皆准的方法,关键在于理解程序的构成,根据具体情况选择合适的策略。

开发者阶段: 养成良好的编程习惯,审慎引入依赖,选择高效的数据结构和算法。
编译链接阶段: 充分利用编译器和链接器的优化选项,尤其是 `Os`、`ffunctionsections`、`fdatasections`。
发布阶段: 使用 `strip` 命令剥离调试信息和符号表,以及考虑使用 UPX 等工具进行最终的压缩。

核心原则: 移除一切不必要的! 无论是代码、数据还是符号信息,只要它们不影响程序的正常运行,就应该被果断地移除。通过系统性的分析和细致的操作,你的程序一定能变得更加“苗条”,运行起来也更加“轻盈”。

网友意见

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  1. 好好写代码,减小代码段体积,别人300代码的逻辑你50行搞定,程序体积肯定有机会更小一些,这个就得考验开发者自己的编程功底了
  2. 使用strip,像脱衣服一样,移除程序的所有符号,这也是很多开发者常用的方式
  3. strip只会清除普通符号,不会动态符号表中的符号,某些动态符号其实也可以隐藏掉,进而来减小库的体积,可以使用-fvisibility=hidden命令
  4. 巧用.bss段,未初始化的全局变量和局部静态变量会存在.bss段中,这些变量不占用程序空间。
  5. inline-limit:内联过多会导致代码段体积较大,可以通过此选项减少内联的数量
  6. 开启Os编译,这是产生较小代码体积的优化选项
  7. 编译选项-fdata-sections和-ffunction-sections
  8. 考虑链接动态库而非静态库

具体如下:

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strip使用

在Linux中可以使用man strip查看strip使用方法,最主要的就是移除所有符号的-s参数,用于清除所有的符号信息:

       strip -s xxx       

在使用strip之前先使用nm查看下可执行程序的符号信息:

       ~/test$ nm a.out 0000000000200da0 d _DYNAMIC 0000000000200fa0 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 000000000000089b t _GLOBAL__sub_I__Z4funcPc 0000000000000930 R _IO_stdin_used w _ITM_deregisterTMCloneTable w _ITM_registerTMCloneTable 0000000000000852 t _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii 00000000000007fa T _Z4funcPc 000000000000081c T _Z4funci U _ZNSt8ios_base4InitC1Ev@@GLIBCXX_3.4 U _ZNSt8ios_base4InitD1Ev@@GLIBCXX_3.4 0000000000201020 B _ZSt4cout@@GLIBCXX_3.4 0000000000000934 r _ZStL19piecewise_construct 0000000000201131 b _ZStL8__ioinit U _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@@GLIBCXX_3.4 0000000000000b24 r __FRAME_END__ 0000000000000940 r __GNU_EH_FRAME_HDR 0000000000201010 D __TMC_END__ 0000000000201010 B __bss_start U __cxa_atexit@@GLIBC_2.2.5 w __cxa_finalize@@GLIBC_2.2.5 0000000000201000 D __data_start 00000000000007b0 t __do_global_dtors_aux 0000000000200d98 t __do_global_dtors_aux_fini_array_entry 0000000000201008 D __dso_handle 0000000000200d88 t __frame_dummy_init_array_entry w __gmon_start__ 0000000000200d98 t __init_array_end 0000000000200d88 t __init_array_start 0000000000000920 T __libc_csu_fini 00000000000008b0 T __libc_csu_init U __libc_start_main@@GLIBC_2.2.5 0000000000201010 D _edata 0000000000201138 B _end 0000000000000924 T _fini 0000000000000688 T _init 00000000000006f0 T _start 0000000000201130 b completed.7698 0000000000201000 W data_start 0000000000000720 t deregister_tm_clones 00000000000007f0 t frame_dummy 000000000000083d T main 0000000000000760 t register_tm_clones       

当前这个可执行程序的文件大小是8840字节:

       -rwxrwxrwx 1 a a 8840 Nov 29 14:54 a.out      

使用strip清除符号信息:

       ~/test$ strip -s a.out      

strip后再查看可执行文件的符号信息:

       ~/test$ nm a.out nm: a.out: no symbols      

发现什么符号都没有了,但还是可以执行。

strip后的可执行程序文件大小是6120字节:

       -rwxrwxrwx 1 a a 6120 Nov 29 14:54 a.out      

具体可以看我这篇回答:

-fvisibility=hidden使用:

       $ g++ -fvisibility=hidden -c layer.cxx -o layer.o      

具体可以看

.bss段

看下面代码:

       #include <stdio.h>  int a[1000]; int b[1000] = {1};  int main() {    printf("程序喵
");    return 0; }      

我们查看下文件大小和各个段大小:

       $ gcc testlink.c -o test $ ls -l test -rwxrwxrwx 1 wzq wzq 12368 May 30 08:48 test $ size test text   data     bss     dec     hex filename 1512   4616   4032   10160   27b0 test      

再看这段初始化的代码:

       #include <stdio.h>  int a[1000] = {1}; int b[1000] = {1};  int main() {    printf("程序喵
");    return 0; }      

再查看下文件大小和各个段大小:

       $ gcc testlink.c -o test $ ls -l test -rwxrwxrwx 1 wzq wzq 16368 May 30 08:49 test $ size test text   data     bss     dec     hex filename 1512   8616       8   10136   2798 test      

可以看到仅仅是做了一次初始化,文件大小就从12368变成了16368,正好是初始化了的那a[1000]的大小,这4000字节从.bss段移动到了.data段,程序大小增加了,这里可以看出.bss段不占据磁盘空间。

具体可以看:

-fdata-sections和-ffunction-sections

具体可以看:

现在的程序和库通常来讲都很大,一个目标文件可能包含成百上千个函数或变量,当需要用到某个目标文件的任意一个函数或变量时,就需要把它整个目标文件都链接进来,也就是说那些没有用到的函数也会被链接进去,这会导致链接输出文件变的很大,造成空间浪费。

有一个编译选项叫函数级别链接,可以使得某个函数或变量单独保存在一个段里面,都链接器需要用到某个函数时,就将它合并到输出文件中,对于没用到的函数则将他们抛弃,减少空间浪费,但这会减慢编译和链接过程,GCC编译器的编译选项是:

       -ffunction-sections -fdata-sections      

从去年年初开始写文章以来,受到很多朋友关注,我把之前写过的所有C++文章学习资料全部系统地整理成PDF电子书,可以说干货满满,可以点击下方卡片获取:


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