言語理論とコン パイラ

第十一回: コード生成と最適化

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2005/Language%20Theory%20and%20Compilers/lecture11.html

© 2005 Martin J. Dürst 青山学院大学

今日の予定

• コード生成 (code generation)
• 最適化 (optimization)
• 学生アンケート

コンパイラの主な段階

字句解析 (lexical analysis)

構文解析 (parsing; syntax analysis)

意味解析 (semantic analysis)

最適化 (optimization)

コード生成 (code generation)

コード生成と最適化の関係

• 構文木で最適化、そこからコード生成
• 生成したコードを分析、最適化
• 実際は両方の組み合わせが多い

コード生成の難しさ

• 機械によって使える命令は大幅に違う

コード生成の手法

• 構文木を辿りながらノードごとにコードを書き出す
• 構文木の構造をコード生成用のパターンのに比べてコードを書き出す

機械の主な種類

• スタック・マシーン:
  演算は全てスタックに行われて、バーチャルマシーンに多い
• RISC:
  演算は全てレジスタ内に行われて、純粋のロードとストアしかない
• CISC:
  命令の数が多くて複雑 (例: Intel Pentium)

スタック・マシーンの式のコード生成

• 構文木を深さ優先に辿る
• 葉を PUSH 命令に変更
• 演算ノードをスタック上の演算命令に変更

if 文などのコード生成

• 条件を条件付きジャンプ命令に変更
• 条件付き命令は前の演算から残るフラグを使ったり、0 との比較が多い
• 条件が合わない場合にジャンプすることが多い
• 例: if (a>b) → a-b; jumpLE0
• ジャンプの行き先がまだ分からない場合が多い

関数呼び出しのコード生成

• 呼び出し側と関数側に特別なコードが必要
• 機械・OS・言語特有の関数呼び出しスタックの構成を考慮する必要がある
• 関数呼び出しスタックの内容 (関数フレーム):
  • 戻り番地 (関数後どこに戻るか)
  • 引数、戻り値
  • 前の関数フレームのベースポインタ
  • 使われるレジスターの値を退避する一時変数
  • ローカル変数

最適化の目的

• プログラムの実行速度の向上
• コードの量の削減
• 次のことを保つ:
  • プログラムの意味
  • コンパイルの速度
  • デバグのしやすさ

最適化の手法

• 制御フロー解析 (control flow analysis)
  • プログラムを順番だけで実行される部分 (基本ブロック) に切り分ける
  • 基本ブロックをノードに制御フローのグラフを作る
• データフロー解析 (data flow analysis)
  • 制御フロー解析の結果、どこの変数の代入がどこの変数の使用に影響を及ぼせるかを分析
    

最適化の手段 (1)

複数の手法を繰り返し組み合わせて少しづつ最適化

• 静式評価 (constant folding, 定数たたみこみ)
• 定数伝播 (constant propagation)
• 共通の式の繰り返しからの追い出し
• 無用命令の削除 (dead code elimination)
• 命令をループの外へ移動
• 演算の変更 (例: x*2 → x+x もしくは x<<1)

最適化の手段 (2)

この最適化はコードの量を増やすが、速くする

• 関数呼び出しの展開
• 繰り返しの展開
  • 少定数の繰り返しの展開 (コードが小さくなる可能性もある)
  • 一部展開 (20回の繰り返しを4部展開して5回繰り返す)

最適化の手段 (3)

この手段は機械に強く依存する

• 命令の入れ替え (命令によってかかる時間が違う、大きさが違う)
• 命令の順番変更 (LOAD の後すぐ使うのではないなど)