Генерация высококачественного кода для программ, написанных на СИ - Филипп Хислей

Процесс оптимизации кода сложен, и степень повышения эффективности зависит не только от типа и изощренности методов оптимизации компилятора, но также и от того, как исходный текст программы написан и структурирован. Результат также зависит от того, как в исходном тексте используются переменные и выражения.

В таблице 2 собрана информация о том, какие приемы оптимизации выполнялись каждым компилятором на тексте теста. Каждый компилятор из рассматриваемого набора выполняет простейшие приемы оптимизации, такие как свертка констант и алгебраические упрощения. Большинство применяют методы оптимизации некоторого промежуточного уровня, включающего снижение мощности и удаление общих подвыражений. Некоторые выполняют оптимизацию высокого уровня, такую как вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции циклов. Ни один не выполняет успешно слияние циклов, и только Datalight Optimum-C делает попытки, далеко не удовлетворительные, применения глубокого удаления общих подвыражений.

--------------------------------------------------------------¬

¦Таблица 2: Результаты теста оптимизации ¦

+-------------------------T---T---T---T---T---T---T---T---T---+

¦ КОМПИЛЯТОР ВЕРСИЯ ¦ 1 ¦ 2 ¦ 3 ¦ 4 ¦ 5 ¦ 6 ¦ 7 ¦ 8 ¦ 9 ¦

+-------------------------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

¦МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Свертка констант (целых) ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Свертка констант (плав.) ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Размножение констант ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Размножение копий ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Алгебр.упрощения ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Подавление деления на 0 ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление подвыражений ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Снижение мощности ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Удаление излишних ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ загрузок/сохранений ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление недостижи- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ мого кода ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление излишних ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ присваиваний ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Использ. машинно- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ зависимых команд ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Поддержка встроенных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ функций ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Размещение переменных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ в регистрах ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Непосредственные инструк-¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ции 80287 ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Сжатие цепочки переходов ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Вынесение инвариантного ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ кода ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удаление переменных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ индукции циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удаление циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удал. глуб. подвыражений ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Разворачивание циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Слияние циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

+-------------------------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

¦ 1 - BORLAND Turbo C 1.5, 2 - COMPUTER INNOVATIONS ¦

¦ C86Plus 1.1, 3 - DATALIGHT Optimum-C 3.14, 4 - LATTICE ¦

¦ MS-DOS C 3.2, 5 - MANX Aztec C 4.0, 6 - METAWARE High C ¦

¦ 1.4, 7 - MICROSOFT C 5.0, 8 - MICROSOFT QuickC 1.0, 9 - ¦

¦ WATCOM C 6.0. ¦

¦ * - компилятор применяет этот метод оптимизации. ¦

+-------------------------------------------------------------+

¦ Большинство включенных в обзор компиляторов языка Си ¦

¦ поддерживают простые методы оптимизации, такие как ¦

¦ алгебраические упрощения, и только несколько компиляторов ¦

¦ применяют более сложные формы, такие как удаление общих ¦

¦ подвыражений. ¦

L--------------------------------------------------------------

Borland International.

Выход компилятора Turbo C представляет собой разумный, но не очень оптимизированный код. Кроме свертки констант, удаления лишних загрузок регистров и алгебраических упрощений, компилятор выполняет только снижение мощности, удаление недостижимого кода и размещение переменных в регистрах. Он не поддерживает другие общие методы оптимизации, такие как удаление лишних сохранений, общих подвыражений и переменных индукции цикла, а также вынесение инвариантного кода.

Turbo C разумно управляет прологом и эпилогом функций и использованием регистров, засылая в стек и извлекая только те регистры, которые явно используются внутри тела функции.

Computer Innovation Inc.

Компилятор C86Plus вырабатывает хороший код со средним уровнем оптимизации. Он выполняет базовые приемы оптимизации, такие как свертка констант и размножение копий. Однако он не выполняет размножение констант для удаления лишних сохранений.

Хотя компилятор успешно выполняет алгебраические упрощения, он порождает лишние инструкции из-за того, что размещает результаты в регистрах, вместо того, чтобы помещать их в переменные. Этот эффект проявляется в том, что при размещении переменных в регистрах предпринимаются попытки переразмещения, так как при выполнении нескольких операторов результаты в действительности должны быть присвоены соответствующим переменным.

Хотя C86Plus успешно справляется со сверткой явных дублирующихся присваиваний в одно присваивание, удаление лишних сохранений он выполняет неустойчиво. Единственное лишнее присваивание в функции dead_code остается единственной командой после того, как компилятор удаляет недостижимый код из функции.

C86Plus - один из нескольких компиляторов рассматриваемого набора, который преобразует инициализацию элементов массива из функции проверки разворачивания циклов в эквивалентную команду STOSW процессора 80x86 с префиксом REP. Однако, что касается разумного уровня оптимизации в других областях, то он не смог решить задачу преобразования цепочки переходов в функции jump_chain_compression в один переход. Он не выполняет существенную оптимизацию циклов.

Datalight Inc.

С появлением Optimum-C Datalight стала одним из первых поставщиков, предложивших оптимизирующий компилятор. Хотя набор тестов не подтвердил наглядно претензии Datalight на глобальную оптимизацию, Optimum-C сработал так хорошо в некоторых фрагментах теста, что он продемонстрировал слабые фрагменты набора, требующие изменений для усовершенствования желаемой проверки. Например, в первой версии функции jump_compression не возвращалось значение, что делало все вычисления и присваивания в функции лишними. Optimum-C выявил это и удалил большую часть кода функции, включая цепочку переходов.

В тесте размножения констант и копий Optimum-C определил, что присваивание i5 в обоих условных операторах является излишним по отношению к последующим присваиваниям. Компилятор удалил не только эти присваивания, но и условные операторы.

Неудовлетворительным оказалось удаление лишних сохранений значений регистров. Optimum-C удалил одно лишнее присваивание, i=k5, в тесте размножения констант и копий и лишнее присваивание в функции dead_code. Он не удалил второе лишнее присваивание, i=2, в тесте размножения констант и копий, и k=2, дублируемое присваивание.

Optimum-C - единственный компилятор, который пытался выполнить глубокое удаление общих выражений. Проверка сгенерированного кода показала, что общее выражение i5+i2 было перемещено выше первого базового блока условного оператора, но не было удалено из второго.

Вне ограничений на стандартное использование регистров, накладываемых семейством микропроцессоров 80x86, Optimum-C разумно использует регистры. В функции jump_compression каждый передаваемый параметр был помещен в регистр. Внутри тела функции не было ссылок в память, кроме начальной засылки в регистры.

Одной важной областью, в которой компилятор Optimum-C требует улучшений, является оптимизация циклов. Компилятор не пытается выполнять вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции цикла.

Тест выполнения показал, что компилятор Datalight очень эффективно управляет вводом/выводом getc/putc, а остальные тесты выполняются в приемлемое время.

Lattice Inc.

Имеющий большую историю компилятор Lattice MS-DOS C последовательно совершенствовался с каждой новой версией. Он известен как генератор стабильного, предсказуемого кода и выполняет умеренную оптимизацию. Lattice С выполняет снижение мощности, сжатие цепочки переходов и удаление общих подвыражений. Он не удаляет дублирующиеся присваивания после теста встроенных функций и лишние присваивания в функции dead_code. Хотя он не генерирует никакого кода для недостижимого printf в функции dead_code, компилятор Lattice C генерирует ненужный безусловный переход к LEAVE, которая является следующей инструкцией.

Единственными сгенерированными машинно-зависимыми инструкциями были ENTER и LEAVE, инструкции микропроцессоров 80x86 для прологов и эпилогов функций. Это сомнительное благо, поскольку выполнение ENTER требует больше циклов микропроцессора, чем установка адресации стекового фрейма отдельными инструкциями. Lattice C не выполняет оптимизацию циклов.