Глобальные и локальные оптимизации

Презентацию к лекции Вы можете скачать здесь.

Как совместить хороший стиль программирования и требования к быстродействию приложения?

Модульность – одно из базовых требований к большому программному продукту, необходимое как для грамотного управления проектом, так и для простоты поддержки и модификации программы.

Модульность существенно снижает возможности для оптимизации программы и получению оптимального кода.

Читаемость и использование утилит для повторяющихся вычислений также необходимые условия разработки сложных приложений. Одной из рекомендаций для программистов является рекомендация избегать больших функций.

Эти требования к качеству кода сильно усложняют работу по его оптимизации. Дело в том, что большинство алгоритмов оптимизации работают в рамках конкретной процедуры. Например, обсуждаемые в первых лекциях скалярные оптимизации.

В общем случае скалярные оптимизации – оптимизации процедурного уровня, эффективно работают только с локальными переменными, поскольку всякий вызов функции для них "черный ящик", способный произвести любые действия. (Изменить любые глобальные переменные, а также локальные переменные, адреса которых доступны функции через аргументы.)

На "Простейшие оптимизации программ" мы рассматривали основную формулу, составляющую основной смысл анализа потока данных (Data Flow Analisys)

В случае вызова неизвестной функции в базовом блоке p, необходимо все глобалы и локалы, доступные функции, поместить в killed(p).

Для качественных скалярных оптимизаций необходимы знания об свойствах функций, вызываемых внутри процедуры.

Рассмотрим некоторые факторы, которые негативно сказываются на эффективности оптимизаций процедурного уровня.

Скалярные оптимизации (Data Flow Analysis)

В случае вызова неизвестной функции в базовом блоке p, необходимо все глобалы и локалы, доступные функции, поместить в killed(p).

Для качественных скалярных оптимизаций необходимы знания об свойствах функций, вызываемых внутри процедуры.

Для цикловых оптимизаций необходимы:

Векторизация: необходима информация о выравнивании объектов в памяти

test.c:
extern void unknown(int *a);
int main(){
int a,b,c;

a=5;
c=a;
unknown(&a);
if(a==5) 
  printf("a==5\n");
b=a;
printf("%d %d %d\n",a,b,c);
return(1);
}
    

Давайте проиллюстрируем обсуждаемую проблему со скалярными оптимизациями на примере протяжки констант

Ассемблер полученный с помощью icl: icс –O2 test.c –S

Вывод: В общем случае, когда о вызываемой функции ничего не известно, константа присвоенная переменной не протягивается через функцию, которая может изменить значение этой переменной.

#include <math.h>
#include <stdio.h>
extern void unknown();
float a,b;

int main() {
float c,d;
scanf_s("%f",&a);
scanf_s("%f",&b);
c=0;
if(sqrt(a+b)>3) 
  c=a+b;
else 
  unknown();
d=sqrt(a+b)+c;
printf("d=%f\n",d);
return 1;
}
    

Другая популярная скалярная оптимизация – удаление общих подвыражений.

icl cse.c –S

увеличить изображение

Место межпроцедурного анализа и межпроцедурных оптимизаций в архитектуре компилятора.

  Qip[-]   enable(DEFAULT)/disable single-file IP optimization
          within files
  /Qipo[n]  enable multi-file IP optimization between files
  /Qipo-c   generate a multi-file object file (ipo_out.obj)
  /Qipo-S   generate a multi-file assembly file (ipo_out.asm)
 /Qipo-jobs<n>
          specify the number of jobs to be executed simultaneously during the
          IPO link phase
    

Вы видите блок IP/IPO оптимизации. Существуют два вида межпроцедурных оптимизаций – модульная и оптимизация для всей программы. В первом случае происходит анализ всех процедур для всей программы и строится полный граф вызовов. Построение и анализ графа может быть неприемлимым с точки зрения ресурсов (большое время для больших проектов), но такой анализ позволяет решать задачу анализа потока данных для глобальных переменных. Во втором случае анализ производится для процедур из одного модуля и строится неполный граф вызовов. Это позволяет эффективно решать задачу анализа потока данных для статических переменных за относительно малое время выполнения.

Некоторые ключи компилятора.

#include <stdio.h>
extern float a,b;
                                                                                
void unknown() {
 printf("a=%f b=%f\n",a,b);
}
    

Теперь можно повторить приведенные выше примеры неудовлетворительной работы скалярных оптимизаций и посмотреть будут ли они работать при включенном межпроцедурном анализе.

В приведенных выше примерах IPO позволяет улучшить качество последующих скалярных оптимизаций поскольку с помощью анализа графа вызовов и операторов каждой процедуры получает информацию о том какие глобальные переменные и аргументы модифицируются каждой процедурой.