如何改善C++代码项目的构建效率，降低构建时间？

对于C++程序员而言，编译、构建是每天都要做的操作。
所以，这是一个好话题。
当然，对于小项目，或者构建时间在5分钟以内的项目，这个话题不值一提。
假如项目构建一次需要耗时1小时以上时，那么这个话题事关程序员的工作效率，非常值得投入时间和精力来分析、改善项目构建的效率。
降低项目编译、构建的耗时，非常有助于提高工作效率，提高个人、团队整体的输出，改善工作、生活质量，减少无效加班。

观察C++程序在构建过程，比如在Windows平台，可以观察资源浏览器，可以发现构建过程中，CPU、内存、硬盘I/O的占用量会明显上升，并且随着代码量增大、这个现象会越发明显。
因此，在不修改现有实现的设计、代码时，最直观的改进方法即是换用更好的硬件，毕竟硬件成本可以摊薄，但人力成本则随着项目周期，稳步增长。

在单机构建的场景下，首先可以采用如下措施：

主频更高的CPU，提升运算速度。
更多核数的CPU，允许并行更多的任务。
更大的内存，允许并行更多的任务，减少内存交换的次数。
使用SSD硬盘，改善文件I/O的效率。

另外，为了提升硬件的利用效率：

在Windows平台，使用MSVC构建时，可以考虑增加/MP选项，允许并行构建。
在Windows平台或者Linux平台，使用make构建时，增加-jx，其中x为并行的任务数量，依据CPU核数和构建时资源使用情况，综合考虑给出具体取值。
合理使用缓存策略，对于没有变化的编译单元，尽量复用已构建好的结果。
关闭杀毒软件对C++项目所在目录的扫描操作。
使用新版本的构建工具。

依据人多力量大的原则，可以使用成熟的集群构建技术，使用多台机器参与构建任务，进一步提升构建效率。
可用的软件比如：

Incredibuild，Windows平台下可以和MSVC配合使用。
distcc，Linux平台下与gcc/clang配合使用。
ccache，与distcc配合使用。
fastbuild，支持Windows、Linux平台。

下面从C++项目自身入手，寻找优化点。
分析C++源码项目构建的过程，可以划分为预处理、编译、链接三大过程。

预处理，引入依赖的文件，将源文件处理为可独立编译的编译单元。
编译，将编译单元转换为目标文件。
链接，将目标文件整合为可执行文件、动态库或者打包为静态库。

对于预处理环节，可以做如下工作：

在设计层面：
- 合理规划模块，清晰定义模块之间的依赖关系和依赖顺序。
- 合理定义模块之间的依赖，为并行构建提供可能性。
- 减少模块对外暴露的头文件。
- 减少头文件搜索路径，降低查找头文件引入的开销。
- 合理定义头文件的用途。
编码层面：
- 使用PImpl策略，减少类定义变化引发的编译操作。
- 合理使用前向声明策略，减少引入的头文件的数量。
- 消除源码文件中冗余的头文件。
- 清除废弃的头文件和源码文件。
- 清理不必要的构建目标。
- 控制C++技术比如模板的使用范围。
构建系统，选择CMake和Ninja。
使用CMake的UNITY_BUILD的特性，通过减少编译单元的数量，降低预处理引入的开销。

对于编译环节，可以做如下工作：

单机构建时，使用前述的方法，使用更强劲的机器。
使用构建集群，充分利用集群的优势。
合理使用缓存技术，消除不必要的编译操作。
开发人员本地构建时，可以关闭编译优化。
- 对于MSVC，使用/Od、/Ob0等选项、去掉/Gy等选项。
- 对于gcc和clang，去掉-Os、-O1、-O2、-O3、-ffunction-sections、-fdata-sections、-flto等选项。
版本构建时，启用编译优化。
- 对于MSVC，使用/Gy、/GF、/O2、/Ox、/Ot、/Oi、/Oy等选项。
- 对于gcc和clang，使用-Os、-O1、-O2、-O3、-ffunction-sections、-fdata-sections、-flto等选项。

对于链接环节，可以做如下工作：

消除不必要的链接依赖。
开发人员本地构建时，可以关闭链接时优化相关的选项，比如：
- 对于MSVC，需要关闭选项/OPT:REF、/OPT:ICF、/OPT:LBR、/ORDER等，同时关闭增量链接/INCREMENTAL。
- 对于gcc和clang，需要关闭--icf=safe、--icf=all、-ffunction-sections、-fdata-sections、-Wl,–gc-sections、-flto等选项。
版本构建时，增加链接优化相关的选项。
- 对于MSVC，增加选项/OPT:REF、/OPT:ICF、/OPT:LBR、/ORDER等，启用增量链接/INCREMENTAL。
- 对于gcc和clang，增加--icf=safe、--icf=all、-Wl,–gc-sections、-flto等选项。

从设计角度，改善效率的措施一般有如下策略：

时间换空间
空间换时间
串行改并行
同步改异步
单点优化
消除冗余

依据这些策略，重新对前述优化措施进行归类：

时间换空间
- 链接时优化技术，降低构建结果的大小，降低后续使用时的成本，即制作安装盘、分发安装盘、软件安装时的时间成本。
空间换时间
- 搭建构建集群，多机并行编译。
- 缓存，保留历史构建结果，消除不必要的构建操作。
串行改并行。
- 使用CMake和Ninja。
- 优化模块设计。
同步改异步。
- 搭建构建集群，多机并行编译。
- 优化模块设计。
单点优化
- 使用算力强劲的硬件。
- 在本地开发时，关闭不必要的优化。
- 版本构建时，开启优化。
消除冗余。
- 改善模块设计。
- 清理冗余头文件和源码文件。
- 清理冗余的链接依赖。
- 禁止杀毒软件扫描项目所在的目录。

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