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

Начиная с процессора Intel 80186, семейство микропроцессоров 80x86 предоставляет инструкции ENTER и LEAVE для обработки вызовов функций. Полезность инструкции ENTER снижается, так как ее выполнение занимает гораздо больше временных циклов процессора, чем выполнение последовательности команд, осуществляющих засылку в стек базового указателя и вычитание необходимого количества байт для фрейма из указателя стека.

Альтернативой использованию стека для передачи параметров функции является задание корректно определенного протокола для передачи стольких параметров, сколько возможно, в регистрах. Если доступно достаточное количество регистров чтобы передать все параметры функции, и вызываемая функция не использует локальные переменные, то отпадает необходимость генерации кода для пролога и эпилога функции (они обычно нужны для установки адресации фрейма стека). Компилятор WATCOM C 6.0 использует этот подход (см. рис. 5). Существенное приращение скорости получается потому, что не только удаляются инструкции, но и потому, что параметры уже регистровые и могут обрабатываться более эффективно.

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

¦РИСУНОК 5: Строение заголовка вызова функции ¦

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

¦Исходный текст на Си MICROSOFT WATCOM ¦

¦(x)-врем. циклы C 5.0 C 6.0 ¦

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

¦/*Тест вызова funcall funcall ¦

¦ функции */ push bp push DX ¦

¦int funcall() mov BP,SP xor DX,DX ¦

¦{ sub SP,2 L4 mov AX,DX <-¬ ¦

¦ int i; push SI call dummy ¦ ¦

¦ sub SI,SI inc DX (23)¦

¦ for(i=0;i<20000;i++) $L20008: cmp DX,2000 ¦ ¦

¦ { dummy(i); } ; push SI <-¬ jl L4 <-- ¦

¦} call dummy ¦ pop DX ¦

¦ add SP,2 (31) ret ¦

¦int dummy(i) inc SI ¦ ¦

¦int i; cmp SI,20000 ¦ ¦

¦{ jl $L20008 <-- ¦

¦ return (i+1); mov [BP-2],SI ¦

¦} pop SI ¦

¦ leave ¦

¦ ret ¦

¦ ¦

¦ --> dummy push BP dummy inc AX <-¬(13)¦

¦ ¦ mov BP,SP ret <-- ¦

¦ (28)¦ mov AX,[BP+4] ¦

¦ ¦ inc AX ¦

¦ ¦ leave ¦

¦ L-> ret ¦

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

¦ Подобно большинству компиляторов Си Microsoft C 5.0 ¦

¦ передает параметры функциям путем засылки их в стек. ¦

¦ Всякий раз при вызове выполняется заголовок, так как ¦

¦ функция должна установить адресацию базирующихся на стеке ¦

¦ параметров. Однако компилятор WATCOM C 6.0 удаляет ¦

¦ стековый заголовок благодаря передаче в регистрах стольких ¦

¦ параметров, сколько возможно. ¦

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

Большинство компиляторов Си позволяют пользователю указывать, какой набор команд процессора должен использоваться при генерации кода. Хотя специализированные инструкции конкретного процессора и могут ускорить выполнение программы, но их применение может ограничить количество машин, на которых программа может работать.

В случае, когда скорость является критическим параметром, "замена вызова функции ее телом" может помочь в удалении заголовков вызова функций. Некоторые компиляторы предоставляют возможность заменять операторами вызовы функций из некоторого набора, либо генерировать их вызовы. Набор таких функций содержит некоторые общеупотребительные функции, такие как abs. Функции из этого набора называются встроенными. Эта оптимизация полезна для внутренних циклов, которые выполняются многократно. Набор доступных встроенных функций зависит от компилятора.

Компилятор, который генерирует прямой код для математического сопроцессора, ускоряет программу, которая выполняет много операций с плавающей точкой. Для того, чтобы поддерживать сопроцессор и максимизировать эффективность плавающей арифметики, оптимизирующий компилятор может генерировать непосредственно последовательность команд сопроцессора в противоположность использованию программной эмуляции функций плавающей арифметики.

При трансляции условных операторов генератор кода компилятора иногда генерирует инструкции перехода, которые передают управление на другие инструкции перехода. "Сжатие цепочки переходов" просто превращает связанное множество переходов в единственный переход от начала цепочки переходов к конечной цели.

Оптимизировать или нет?

Оптимизация - не панацея, и ее применение не бесплатно. В зависимости от степени оптимизации время, требуемое для компиляции программы, может значительно возрастать. Для небольших программ требуемое время можно не принимать во внимание, но для больших оно может иметь значение.

Оптимизация также может усложнить отладку вследствие генерации кода, который трудно непосредственно связать с исходными операторами в программе. Оптимизация может неожиданно ввести ошибки в код, сгенерированный из вполне правильного текста программы. Ситуация, когда на переменную ссылаются как непосредственно по имени, так и посредством одного или нескольких указателей, может затруднить работу компилятора по определению того, "жива" ли еще переменная и, следовательно, должна оставаться в регистре, или она "умерла" и тогда должна быть сохранена в памяти.

Вынесение инвариантного кода может быть потенциальным источником ошибок. В цикле

int a[10], x, y;

for(i = 0; i < 10; i++)

if( y != 0 )

a[i] = x / y;

оптимизирующий компилятор может определить, что выражение x/y есть инвариант, и вынесет его за пределы цикла, игнорируя проверку на 0 и создавая возможность возникновения ситуации деления на 0.

Когда компилятор выполняет удаление переменных индукции цикла он может непреднамеренно породить ситуацию переполнения, потому что он может переструктурировать вычисления, включающие индексы цикла. В приведенном ранее примере, где выполняется оптимизация, используя вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции цикла, переменная индукции i была извлечена, в результате имеем:

T1 = j + k;

for(x = 0; x < T1 * v; x += T1);

В этом случае, поскольку значения j, k и v неизвестны, существует возможность переполнения для выражения T1 * v. Цикл может не закончиться.

Тестирование компиляторов

PC Tech Journal разработал тест оптимизации Си (см. листинг 1) как подспорье в оценке оптимизационных возможностей компиляторов Си. Тест проверяет степень оптимизации, проводимой компилятором. Для обеспечения основы для сравнения измерений времени выполнения для каждого компилятора запускался тест исполнения PC Tech Journal с ключами, разрешающими оптимизацию. Результаты его работы для каждого компилятора суммируются в таблице 1. Рисунок 6 демонстрирует опции оптимизации для каждого компилятора, которые использовались при компиляции обоих тестов. Характеристики выполнения программ можно сравнить с измерениями без оптимизации, приведенными в февральском номере за 1988 год (см. стр. 62 и 80).

Целью обоих тестов, исполнения и оптимизации, было получить наиболее быстрый код, который может дать каждый компилятор. Если компилятор предоставляет опции для генерации кода, они выбирались с приоритетом времени выполнения над размером программного кода, генерировались команды микропроцессора 80286 и непосредственные команды сопроцессора 80287, запрещалось проверять переполнение стека. Таким образом, минимальная конфигурация системы, требуемая для запуска тестов в том виде, в каком они компилировались, - машина с процессором 80286 и математическим сопроцессором 80287.

Многие компиляторы также имеют опции для генерации кода процессоров 80186 и NEC V20/V30, которые могут использоваться для машин класса XT (см. "Chips in transitions", Bob Smith, апрель 1986г., стр. 56). Эти процессоры имеют большинство средств 80286, исключая команды защищенного режима, так что сгенерированный для них код совпадает с кодом для 80286.

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

¦РИСУНОК 6: Командные строки ¦

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

¦ ¦

¦ BORLAND TURBO C 1.5 ¦

¦ : tcc -1 -f87 -N- -S -O -G -Z -r optbench.c ¦

¦ ¦

¦ COMPUTER INNOVATIONS C86PLUS 1.10 ¦

¦ : cc -DNO_ZERO_DIVIDE=1 -c -FPi87 -Oatx ¦

¦ -G2 -Fa optbench.c ¦

¦ ¦

¦ DATALIGHT OPTIMUM-C 3.14 ¦

¦ : dlc1 optbench.c -f-g ¦

¦ dlg optbench.tmp +vbe +all ¦

¦ dlc2 optbench.tmo ¦