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

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.

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.

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 ¦

¦ ¦

¦ LATTICE MS-DOS C 3.2 ¦

¦ : lc -d -k2 -f -v optbench.c ¦

¦ ¦

¦ MANX AZTEC C86 4.0 ¦

¦ : cc -A +A -B -T +F +2 +ef optbench.c ¦

¦ ¦

¦ METAWARE HIGH C 1.4 ¦

¦ : hc optbench.c -def NO_ZERO_DIVIDE=1 ¦

¦ pragma Off(Check_stack, Check_subscript) ¦

¦ pragma On(286, asm, auto_reg_alloc) ¦

¦ pragma On(floating_point, optimize_xjmp) ¦

¦ pragma On(optimize_xjmp_space, use_reg_vars) ¦

¦ ¦

¦ MICROSOFT C 5.0 ¦

¦ : cl -DNO_ZERO_DIVIDE=1 -c -G2 -Fc ¦

¦ -Ox optbench.c ¦

¦ ¦

¦ MICROSOFT QUICKC 1.0 ¦

¦ : qcl -c -G2 -FPi87 -Ox d:\optbench.c ¦

¦ ¦

¦ WATCOM C 6.0 ¦

¦ : wcc d:\optbench.c /d1 /oilt /s /2 /7 ¦

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

¦ Выполняемый код для тестов оптимизации и ¦

¦ исполнения, которые использованы в этой статье, ¦

¦ генерировался с помощью этих командных строк с ¦

¦ указанными директивами компиляторов. ¦

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

Результаты теста исполнения для каждого компилятора в малой и большой моделях памяти приводятся в таблице 1. Тесты в наборе теста исполнения организованы в функции, которые вызывались из главной управляющей процедуры. Весь набор был скомпилирован и отредактирован в один файл EXE. Некоторые из процедур теста выполняются так быстро, что единственный вызов функции невозможно точно измерить. В этих случаях функции вызываются из управляющей процедуры многократно, чтобы увеличить время выполнения для получения возможности количественных измерений. В таблице 1 приводится количество итераций для каждого теста.

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

¦Таблица 1: Результаты оптимизированного теста выполнения ¦

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

¦ COMPUTER ¦

¦ BORLAND INNOVATIONS DATALIGHT ¦

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

¦КОМПИЛЯТОР ¦ Turbo C ¦ C86Plus ¦ Optimum-C ¦

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

¦ВЕРСИЯ ¦ 1.5 ¦ 1.10 ¦ 3.14 ¦

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

¦ЦЕНА ¦ $99.95 ¦ $497 ¦ $139 ¦

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

¦РАЗМЕР ПРГРАММЫ(KB) ¦ 35/40 ¦ 30/38 ¦ 33/40 ¦

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

¦ОБЩИЕ ОПЕРАЦИИ (*) ¦ ¦ ¦ ¦

¦Вызовы функций ¦ 6.0/7.2 ¦ 7.6/8.2 ¦ 6.0/7.6 ¦

¦Целочисл. арифметика ¦ 7.0/7.0 ¦ 8.5/8.5 ¦ 6.3/6.3 ¦

¦Арифм-ка длинных целых¦ 29.0/29.0 ¦ 23.4/23.9 ¦ 26.3/26.9 ¦

¦Индексация ¦ 7.9/9.9 ¦ 7.9/11.4 ¦ 5.9/7.9 ¦

¦Использ-е указателей ¦ 6.2/15.3 ¦ 12.9/19.2 ¦ 6.8/15.3 ¦