基于龍芯2F的Glibc庫優(yōu)化

摘要：Glibc庫是Linux系統最底層的函數庫。本文分析了Glibc庫的函數構成，在龍芯2F平臺上對其中的字符串與內存的處理、數據轉換、哈希表查找、以及加密函數的代碼優(yōu)化。實(shí)驗結果表明，大部分函數的優(yōu)化比率達到了30％以上，對龍芯2F平臺的整體運行性能提升具有重要意義。
關(guān)鍵詞：Glibc；龍芯2F；優(yōu)化

0 引言
龍芯2F是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的高性能通用處理器，具有低功耗、低成本以及自主安全的特點(diǎn)，已應用于高性能計算和日常生活領(lǐng)域。
龍芯2F以開(kāi)源的Linux作為操作系統。Glibe庫是Linux系統最底層的運行庫，為其上的應用程序提供系統接口以及其它功能函數。此外，它還是以 C語(yǔ)言構建開(kāi)發(fā)程序時(shí)使用的基本函數庫。本文基于龍芯2F體系結構對Glibc庫進(jìn)行優(yōu)化，對于提升龍芯2F的平臺性能與用戶(hù)體驗有重要意義。

1 Glibc庫介紹
Glibc庫是GNU發(fā)布的C運行庫，它封裝了Linux操作系統提供的系統服務(wù)，除此之外，還提供了其它必要的功能服務(wù)實(shí)現。Glibc庫是Li- nux系統最底層的函數庫，是除了操作系統核心以外，所有應用程序賴(lài)以執行的基礎環(huán)境。Linux系統上的其它函數庫都需要直接或間接依賴(lài)于Glibc 庫。
Glibc庫包含兩類(lèi)函數，一種是與核心溝通的系統函數，它們封裝了系統調用，對傳入參數進(jìn)行預處理之后就轉到系統調用來(lái)完成功能，其目的是使得用戶(hù)可以方便地使用操作系統核心提供的服務(wù)。系統調用接口與Linux操作系統相關(guān)，大部分流程固定，沒(méi)有太大優(yōu)化余地，對
其不做處理。
C庫中的另一類(lèi)函數提供常見(jiàn)的通用功能實(shí)現，包括標準輸入輸出控制，字符串處理，正則表達式，字符串加密，查找與排序等。它們提供基本的、與操作系統無(wú)關(guān)的功能，其中的部分函數有一定的計算量，是優(yōu)化工作關(guān)注的部分。
Glibc庫的版本在不斷更新，本文以當前最新的Glibc2．11版本為基礎進(jìn)行優(yōu)化。

2 龍芯2F體系結構
龍芯2F處理器實(shí)現了64位的MIPSⅢ指令集，整數寄存器和浮點(diǎn)寄存器均為64位，支持o32／n32和n64的ABI類(lèi)型。除了 MIPS標準指令外，龍芯2F還提供了特有的整型計算和浮點(diǎn)計算指令。整型指令包括單條指令對3個(gè)寄存器進(jìn)行操作的乘法、除法以及求模運算，浮點(diǎn)指令包括
乘加、開(kāi)平方等運算。
龍芯2F包含兩級Cache結構，L1 Cache數據和指令獨立，均為64kB；L2 Cache數據和指令共享，為512kB。L1 cache和L2 cache都采用四路組相聯(lián)結構，組內采用隨機替換策略，cache行大小均為32字節。

3 Glibc庫的優(yōu)化
根據對Glibc庫組成的分析，文章對其中的字符串與內存處理，數據轉換，哈希表查找以及加密函數進(jìn)行了優(yōu)化，以下各節分別介紹其優(yōu)化方法和優(yōu)化效果。
3．1 字符串與內存處理函數
字符串與內存處理函數組提供了較為豐富的函數來(lái)完成各種操作，包括字符串與內存的移動(dòng)、比較和查找等。兩者的操作通常一一對應，因為C語(yǔ)言中的字符串即用一段連續的內存來(lái)表示，區別在于字符串用空字符NULL來(lái)表示結尾，而內存塊的結尾由其大小確定。
對本組函數進(jìn)行分析可知，部分函數之間的實(shí)現流程類(lèi)似，如strlen和strnlen，memcpy和memccpy等。此外某些函數可通過(guò)調用其它函數來(lái)完成，如strcpy可由strlen與memcpy函數完成。
由于這一特點(diǎn)，字符串與內存處理函數組的優(yōu)化方法可以相互借鑒，使用的優(yōu)化方法主要包括以下幾種：
優(yōu)化訪(fǎng)存指令。本組函數的處理流程一般是從一個(gè)或兩個(gè)內存地址開(kāi)始讀取內存并進(jìn)行相應的操作。在讀取過(guò)程中考慮內存地址的對齊情況及讀取單位，分別使用不同格式的訪(fǎng)存指令。
分塊處理。根據龍芯2F處理器的寄存器個(gè)數將待處理的字符串或內存分塊，以充分利用寄存器進(jìn)行循環(huán)展開(kāi)。
匯編實(shí)現。本組函數包含了一些使用頻繁且對系統性能影響較大的函數，如內存拷貝memcpy函數等，對此類(lèi)函數我們使用匯編或內嵌匯編來(lái)實(shí)現，以避免編譯器可能生成低效的代碼。
表l是本組函數中主要函數的優(yōu)化效果，以字符串規?；騼却娲笮?12B作為輸入。