Генерация высококачественного кода для программ, написанных на СИ

Дальнейший анализ примера показывает, что значение переменной i, индекса цикла, изменяется непосредственно с каждой итерацией. Отдельное присваивание i, известной как "переменная индукции цикла", может быть удалено:

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

Поскольку использование переменных - индексов цикла во внутренних выражениях цикла общеупотребительно, удаление переменных индукции цикла вместе со связанными с ними "снижениями мощности", может значительно улучшить исполнение программы. Рис. 4 показывает пример удаления переменной индукции цикла.

– -------------------------------------------------------------¬

¦РИСУНОК 4: Удаление переменных индукции цикла ¦

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

¦Исходный текст на Си MICROSOFT DATALIGHT ¦

¦ C 5.0 Optimum-C 3.14 ¦

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

¦for(i=0;i<100;i++) mov AX,0 ¦

¦ ivector5[i*2+3]=5; mov i,100 mov i,AX ¦

¦ mov SI,OFFSET ivector5+6 cmp AX,100 ¦

¦ $L20006: jge L134 ¦

¦ mov [SI],5 L11B: ¦

¦ add SI,4 mov BX,i ¦

¦ cmp SI,OFFSET ivector5+406 shl BX,1 ¦

¦ jb $L20006 shl BX,1 ¦

¦ mov ivector+6[BX],5 ¦

¦ inc i ¦

¦ cmp i,100 ¦

¦ jl L11B ¦

¦ L134: ¦

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

¦ Удаление переменных индукции цикла помогает минимизировать ¦

¦ время, проводимое в каждой итерации цикла, путем вынесения ¦

¦ индексирующих цикл переменных (переменных индукции) из ¦

¦ тела цикла. В то время, как компилятор Datalight Optimum-C ¦

¦ использует переменную индукции i для индексации массива ¦

¦ ivector5, компилятор Microsoft C 5.0 удаляет ее благодаря ¦

¦ накоплению смещения для каждого элемента массива и ¦

¦ добавлению результата к базовому адресу массива. ¦

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

"Слияние циклов" минимизирует управляющие заголовки циклов путем сращивания кода из циклов, имеющих одинаковые управляющие заголовки, в один цикл. Для того, чтобы удалить управляющий заголовок второго цикла, два простых цикла

for(i = 0; i < 10; i++)
 a = b + c;
for(i = 0; i < 10; i++)
 d = e + f;

могут быть объединены в один цикл

for(i = 0; i < 10; i++) {
 a = b + c;
 d = e + f;
}

Поскольку для поддержки слияния циклов требуется процедурная оптимизация, в общем случае это действие не выполняется. Ни один из включенных в обзор компиляторов этот метод не применяет.

Непосредственно связано со слиянием циклов "разворачивание циклов", которое минимизирует количество проходов через цикл путем увеличения числа операций, выполняемых внутри каждой итерации. Цикл инициализации массива

int a[3];
int i;
for(i = 0; i < 3; i++)
 a[i] = 0;

странслированный компилятором без оптимизации, может получить следующий эквивалент в языке ассемблера:

mov i,0
LOOP:
 mov BX,i
 shl BX,1
 mov a[BX],0
 inc i
 cmp i,3
 jl LOOP

В том же коде, оптимизированном по методу разворачивания цикла, удаляется цикл путем замещения его тремя инструкциями присваивания:

mov a,0
mov a+2,0
mov a+4,0

Хотя ни один из компиляторов, включенных в обзор, не выполняет буквальное разворачивание циклов, некоторые из них оптимизируют цикл путем использования "специализированных инструкций прцессора". Многие процессоры предоставляют специализированные инструкции для управления перемещением блоков данных, инициализации памяти и других часто встречающихся ситуаций управления данными. К примеру, строковые инструкции с префиксом повторения (в семействе процессоров 80x86), выполняющиеся быстрее, чем посимвольные команды в цикле. Оптимизирующий компилятор использует, когда возможно, инструкции процессора для управления ситуациями в специальных случаях. Применение специализированных инструкций процессора к расширенной версии предыдущего примера разворачивания циклов

int a[10000];
int i;
for(i = 0; i < 10000; i++)
 a[i] = 0;

дает приведенный ниже ассемблерный код процессора 80x86. Он гораздо быстрее, чем его аналог, записанный в виде цикла или набора инструкций непосредственной засылки в память, имеющего соответствующую длину:

mov CX,10000
mov i,CX
sub AX,AX
mov DI,offset a
push DS
pop ES
cld
rep stosw

"Минимизация заголовков вызова функций" может существенно уменьшить время выполнения в структурированной программе. При вызове функции параметры передаются вызываемой подпрограмме в стеке, находящемся в оперативной памяти. Набор инструкций некоторых процессоров содержит инструкции, которые поддерживают потребности Си и других структурированных языков высокого уровня в установке адресации фрейма стека перед выполнением кода функции и восстановлении стекового фрейма перед завершением.

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 ¦