Книга: Системное программное обеспечение. Лабораторный практикум

Общие принципы оптимизации кода

Общие принципы оптимизации кода

Как уже говорилось, в подавляющем большинстве случаев генерация кода выполняется компилятором не для всей исходной программы в целом, а последовательно для отдельных ее конструкций. Для построения результирующего кода различных синтаксических конструкций входного языка используется метод СУ-перевода. Он объединяет цепочки построенного кода по структуре дерева без учета их взаимосвязей.

Построенный таким образом код результирующей программы может содержать лишние команды и данные. Это снижает эффективность выполнения результирующей программы. В принципе, компилятор может завершить на этом генерацию кода, поскольку результирующая программа построена и является эквивалентной по смыслу (семантике) программе на входном языке. Однако эффективность результирующей программы важна для ее разработчика, поэтому большинство современных компиляторов выполняют еще один этап компиляции – оптимизацию результирующей программы (или просто «оптимизацию»), чтобы повысить ее эффективность, насколько это возможно.

Важно отметить два момента: во-первых, выделение оптимизации в отдельный этап генерации кода – это вынужденный шаг. Компилятор вынужден производить оптимизацию построенного кода, поскольку он не может выполнить семантический анализ всей входной программы в целом, оценить ее смысл и исходя из него построить результирующую программу. Во-вторых, оптимизация – это необязательный этап компиляции. Компилятор может вообще не выполнять оптимизацию, и при этом результирующая программа будет правильной, а сам компилятор будет полностью выполнять свои функции. Однако практически все современные компиляторы так или иначе выполняют оптимизацию, поскольку их разработчики стремятся завоевать хорошие позиции на рынке средств разработки программного обеспечения.

Теперь дадим определение понятию «оптимизация».

Оптимизация программы – это обработка, связанная с переупорядочиванием и изменением операций в компилируемой программе с целью получения более эффективной результирующей объектной программы. Оптимизация выполняется на этапах подготовки к генерации и непосредственно при генерации объектного кода.

В качестве показателей эффективности результирующей программы можно использовать два критерия: объем памяти, необходимый для выполнения результирующей программы, и скорость выполнения (быстродействие) программы. Далеко не всегда удается выполнить оптимизацию так, чтобы она удовлетворяла обоим этим критериям. Зачастую сокращение необходимого программе объема данных ведет к уменьшению ее быстродействия, и наоборот. Поэтому для оптимизации обычно выбирается один из упомянутых критериев. Выбор критерия оптимизации обычно выполняется в настройках компилятора.

Но даже выбрав критерий оптимизации, в общем случае практически невозможно построить код результирующей программы, который бы являлся самым коротким или самым быстрым кодом, соответствующим входной программе. Дело в том, что нет алгоритмического способа нахождения самой короткой или самой быстрой результирующей программы, эквивалентной заданной исходной программе. Эта задача в принципе неразрешима. Существуют алгоритмы, которые можно ускорять сколь угодно много раз для большого числа возможных входных данных, и при этом для других наборов входных данных они окажутся неоптимальными [1, 2]. К тому же компилятор обладает весьма ограниченными средствами анализа семантики всей входной программы в целом. Все, что можно сделать на этапе оптимизации, – это выполнить над заданной программой последовательность преобразований в надежде сделать ее более эффективной.

Чтобы оценить эффективность результирующей программы, полученной с помощью того или иного компилятора, часто прибегают к сравнению ее с эквивалентной программой (программой, реализующей тот же алгоритм), полученной из исходной программы, написанной на языке ассемблера. Лучшие оптимизирующие компиляторы могут получать результирующие объектные программы из сложных исходных программ, написанных на языках высокого уровня, почти не уступающие по качеству программам на языке ассемблера. Обычно соотношение эффективности программ, построенных с помощью компиляторов с языков высокого уровня, и программ, построенных с помощью ассемблера, составляет 1,1–1,3. То есть объектная программа, построенная с помощью компилятора с языка высокого уровня, обычно содержит на 10–30 % больше команд, чем эквивалентная ей объектная программа, построенная с помощью ассемблера, а также выполняется на 10–30 % медленнее.[6]

Это очень неплохие результаты, достигнутые компиляторами с языков высокого уровня, если сравнить трудозатраты на разработку программ на языке ассемблера и языке высокого уровня. Далеко не каждую программу можно реализовать на языке ассемблера в приемлемые сроки (а значит и выполнить напрямую приведенное выше сравнение можно только для узкого круга программ).

Оптимизацию можно выполнять на любой стадии генерации кода, начиная от завершения синтаксического разбора и вплоть до последнего этапа, когда порождается код результирующей программы. Если компилятор использует несколько различных форм внутреннего представления программы, то каждая из них может быть подвергнута оптимизации, причем различные формы внутреннего представления ориентированы на различные методы оптимизации [1–3, 7]. Таким образом, оптимизация в компиляторе может выполняться несколько раз на этапе генерации кода.

Принципиально различаются два основных вида оптимизирующих преобразований:

• преобразования исходной программы (в форме ее внутреннего представления в компиляторе), не зависящие от результирующего объектного языка;

• преобразования результирующей объектной программы.

Первый вид преобразований не зависит от архитектуры целевой вычислительной системы, на которой будет выполняться результирующая программа. Обычно он основан на выполнении хорошо известных и обоснованных математических и логических преобразований, производимых над внутренним представлением программы (некоторые из них будут рассмотрены ниже).

Второй вид преобразований может зависеть не только от свойств объектного языка (что очевидно), но и от архитектуры вычислительной системы, на которой будет выполняться результирующая программа. Так, например, при оптимизации может учитываться объем кэш-памяти и методы организации конвейерных операций центрального процессора. В большинстве случаев эти преобразования сильно зависят от реализации компилятора и являются «ноу-хау» производителей компилятора. Именно этот тип оптимизирующих преобразований позволяет существенно повысить эффективность результирующего кода.

Используемые методы оптимизации ни при каких условиях не должны приводить к изменению «смысла» исходной программы (то есть к таким ситуациям, когда результат выполнения программы изменяется после ее оптимизации). Для преобразований первого вида проблем обычно не возникает. Преобразования второго вида могут вызывать сложности, поскольку не все методы оптимизации, используемые создателями компиляторов, могут быть теоретически обоснованы и доказаны для всех возможных видов исходных программ. Именно эти преобразования могут повлиять на смысл исходной программы. Поэтому у современных компиляторов существуют возможности выбора не только общего критерия оптимизации, но и отдельных методов, которые будут использоваться при выполнении оптимизации.

Нередко оптимизация ведет к тому, что смысл программы оказывается не совсем таким, каким его ожидал увидеть разработчик программы, но не по причине наличия ошибки в оптимизирующей части компилятора, а потому, что пользователь не принимал во внимание некоторые аспекты программы, связанные с оптимизацией. Например, компилятор может исключить из программы вызов некоторой функции с заранее известным результатом, но если эта функция имела «побочный эффект» – изменяла некоторые значения в глобальной памяти – смысл программы может измениться. Чаще всего это говорит о плохом стиле программирования исходной программы. Такие ошибки трудноуловимы, для их нахождения разработчику программы следует обратить внимание на предупреждения, выдаваемые семантическим анализатором, или отключить оптимизацию. Применение оптимизации также нецелесообразно в процессе отладки исходной программы.

Методы преобразования программы зависят от типов синтаксических конструкций исходного языка. Теоретически разработаны методы оптимизации для многих типовых конструкций языков программирования.

Оптимизация может выполняться для следующих типовых синтаксических конструкций:

• линейных участков программы;

• логических выражений;

• циклов;

• вызовов процедур и функций;

• других конструкций входного языка.

Во всех случаях могут использоваться как машинно-зависимые, так и машинно-независимые методы оптимизации.

В лабораторной работе используются два машинно-независимых метода оптимизации линейных участков программы. Поэтому только эти два метода будут рассмотрены далее. С другими машинно-независимыми методами оптимизации можно более подробно ознакомиться в [1, 2, 7]. Что касается машинно-зависимых методов, то они, как правило, редко упоминаются в литературе. Некоторые из них рассматриваются в технических описаниях компиляторов.

Оглавление книги