言語理論とコンパイラ

第十四回: 最適化

2014 年 7 月 11日

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2014/Compiler/lecture14.html

Martin J. Dürst

これからの予定

7月11日: 最適化
7月18日: 実行環境、仮想計算機、ゴミ集め、動的コンパイラ
8 月 1日 11:10-12:35 (85分): 期末試験

過去問とその活用方法

過去問活用方法

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正解例を見ないで本番と同様に時間を決めて解いてみるのが効果的
正解例はあくまでも例で、他にも正解がある場合も

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

前回の宿題 (1): 論理積のコード生成

C 言語の断片:

if (a<5 && b>10)
    c = d;

入れ子の if 文に変換:

if (a<5)
    if (b>10)
        c = d;

前回の宿題 (1) の解答例

[都合により削除]

前回の宿題 (2): `for` 文のコード生成

(発展問題)

C 言語の断片:

for (i=0; i<15; i++)
    a += b;

準備: while 文に変換:

i = 0;
while (i<15) {
    a += b;
    i++;
}

前回の宿題 (2) の解答例

[都合により削除]

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)
演算の変更 (例: x*2 → x+x もしくは x<<1)
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;
- 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)
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)

(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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