言語理論とコンパイラ

第十四回: 最適化

2015 年 7 月 10日

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2015/Compiler/lecture14.html

Martin J. Dürst

これからの予定

7月17日: 実行環境、仮想計算機、ゴミ集め、動的コンパイラ
7月24日 11:10-12:35 (85分): 期末試験

How to View Example Solutions

Use Opera 12.17 (Windows/Mac/Linux)
For Google Chrome, install Style Chooser
For Firefox, install Context Style Switcher
Select solutions style (e.g. View → Style → solutions)

前回のまとめ

コード生成は機械に依存
コード生成の結果はアセンブリ言語で表現
機械には条件式、if 文、for 文などがなく⇒条件付き jump を使用
jump の条件は 0 との比較
C 言語で jump は goto で表現可能
制限された C 言語は C 言語とアッセンブリ言語の中間

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
関数呼び出しにスタックが使用
スタックの構成は機械・OS・言語によって異なる

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
次のことを考慮:
- プログラムの意味
- コンパイルの速度
- デバッグのしやすさ
- 機械の特徴

最適化の手法

ピープホール最適化 (peephole optimization)
局所的な命令の入れ替え
制御フロー解析 (control flow analysis)
- プログラムを順番通りに実行される基本ブロックに分割
  - 飛び込みなし
  - 飛び出しなし
- 基本ブロックをノードに制御フローのグラフを作成
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の変数の使用に影響を及ぼすかを分析

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)
24 * 60 * 60 → 86400
定数伝播 (constant propagation)
a = 3; b = a * 4; → a = 3; b = 3 * 4;
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)
レジスタの値の再利用
```
STORE a, R1
LOAD  R1, a
```
⇒
```
STORE a, R1
```

最適化の手段 (2)

コードの量が増加しても、実行を加速

関数呼び出しの展開

double square(double x) { return x*x; }
square(a);

⇒a*a

繰り返しの展開
- 小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)
  for (i=0; i<5; i++) a+=b;
  ⇒a = a+b+b+b+b+b;
- 一部展開 (20 回の繰り返しを 4 部展開して 5 回繰り返す)
  for (i=0; i<20; i++) a+=b;
  ⇒
  for (i=0; i<20; i+=5) a = a+b+b+b+b+b;

最適化の手段 (3)

機械に強く依存

命令の入れ替え (命令によってかかる時間が違う)
例: x*2 ⇒ x+x または x<<1
命令の順番の変更 (LOAD の後データがすぐ使えないなど)

命令の順番の変更の応用例

式: 5 * a

最適化前:

        CONST   R1, 5
        LOAD    R2, a    ; LOAD は時間がかかる
        MUL     R3, R1, R2

最適化後:

        LOAD    R2, a
        CONST   R1, 5    ; LOAD の間、CONST も実行可能
        MUL     R3, R1, R2

最適化の実例

ソース

最適化なし (gcc -O0 -S code.c)

最適化済み (gcc -O1 -S code.c)

もっと最適化済み (gcc -O3 -S code.c)

(アセンブリ言語は Intel PC 用 (CISC))

gcc の最適化に関する設定項目: 英語、日本語

授業改善のための学生アンケート

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(悪い例: 発音が分かりにくい; 良い例: さ行が濁っているかどうか分かりにくい)