Optymalizacja oprogramowania - wprowadzenie

Transkrypt

1 Optymalizacja oprogramowania - wprowadzenie Poznaskie Centrum Superkomputerowo Sieciowe

2 Projekt jest współfinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Instytucj Zarzdzajc Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka jest Ministerstwo Rozwoju Regionalnego. Instytucj Poredniczc w realizacji priorytetu 2. Infrastruktura sfery B+R jest Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyszego.

3 literatura podstawowa [Aho2002] Alfred V. Aho, Ravi Sethi, Jeffrey D. Ullman, Kompilatory. Reguły, metody i narzdzia, WNT 2002 (tłum. pierwszego wydania amerykaskiego, 1986). [Aho2001] A.V. Aho, R. Sethi, J.D. Ullman, Compilers: Principles, Techniques, and Tools, Pearson Education

4 literatura uzupełniajca [Bentley2000] Jon Bentley, Perełki oprogramowania, wyd. trzecie, WNT, 2008 (tłum. drugiego wydania amerykaskiego, Pearson Education 2000). [Bentley2007] Jon Bentley, Wicej perełek oprogramowania. Wyznania programisty, WNT 2007 (tłum. pierwszego wydania amerykaskiego, Pearson Education 1988) 4

5 literatura uzupełniajca [Kernigham2002] Brian W. Kernigham, Rob Pike, Lekcja programowania, WNT 2002, (tłum. pierwszego wydania amerykaskiego, Pearson Education 1999). [Oram2008] Andy Oram, Greg Wilson (red.), Pikny kod. Tajemnice mistrzów programowania, Helion 2008, (tłum. wydania amerykaskiego, O Reilly Media Inc. 2007). 5

6 literatura uzupełniajca [Barr2005] Adam Barr, Znajd błd. Sztuka analizowania kodu, Helion 2005 (tłum. wydania amerykaskiego, Pearson Education 2005). 6

7 Plan wprowadzenie (typowa kompilacja) podstawowe ródła optymalizacji optymalizacja bloków bazowych ptle w grafach przepływu globalna analiza przepływu danych iteracyjne rozwizywanie równa przepływu danych 7

8 Plan przekształcenia poprawiajce kod obsługa synonimów analiza przepływu danych w strukturalnych grafach przepływu efektywne algorytmy przepływu danych narzdzia do analizy przepływu danych wykrywanie typów 8

9 Plan symboliczny program uruchomieniowy dla zoptymalizowanego kodu uwagi bibliograficzne 9

10 kompilator czyta kod w jzyku ródłowym i tłumaczy na kod w jzyku wynikowym [Aho2002] 10

11 typowa kompilacja [Aho2002] 11

12 typowa kompilacja program ródłowy w oddzielnych plikach jest składany w cało przez preprocesor, kompilator tworzy kod wynikowy w j. asemblera, tłumaczony nastpnie przez asembler na kod maszynowy i łczony z funkcjami bibliotecznymi 12

13 typowa kompilacja [Aho2002] 13

14 fazy kompilatora [Aho2002] 14

15 fazy kompilatora analiza programu ródłowego generacja kodu poredniego optymalizacja kodu generacja kodu 15

16 analiza programu ródłowego obejmuje trzy fazy: analiz leksykaln (liniow, skanowanie): strumie znaków grupowany w symbole leksykalne (cigi znaków majce znaczenie) analiz składniow (hierarchiczna, syntaktyczna): symbole leksykalne grupowane w wyraenia gramatyczne (drzewa wyprowadzenia) analiz semantyczn: testy dopasowania składników programu co do znaczenia 16

17 analiza programu ródłowego analiza programu ródłowego ma na celu wykrycie błdów w programie ródłowym słu do tego pierwsze trzy fazy kompilatora, wymienione przed chwil po analizie programu ródłowego, nastpuje zazwyczaj faza generacji kodu poredniego 17

18 translacja instrukcji (1) [Aho2002] 18

19 generacja kodu poredniego kod poredni jest to reprezentacja porednia kodu ródłowego, widziana jako program dla pewnej maszyny abstrakcyjnej reprezentacj t daje si łatwo utworzy i przetłumaczy na program wynikowy 19

20 generacja kodu poredniego najprostszy algorytm generuje kod poredni, stosujc jeden rozkaz na kady operator w drzewie składniowym [Aho2002] 20

21 generacja kodu poredniego kod poredni moe mie posta kodu trójadresowego kod trójadresowy to sekwencja rozkazów, z których kady ma co najwyej trzy argumenty 21

22 generacja kodu poredniego własnoci kodu trójadresowego: kady rozkaz oprócz przypisania moe mie co najwyej jeden operator, dlatego kompilator musi ustali kolejno operacji kompilator musi wygenerowa tymczasowe identyfikatory do zapisu wartoci porednich rozkaz moe mie mniej ni trzy argumenty 22

23 generacja kodu poredniego przykład kodu trójadresowego [Aho2002]: 23

24 optymalizacja kodu w fazie tej poprawiamy kod poredni aby stworzy działajcy szybciej kod maszynowy stosuje si tu dwie zasady: konwersja z wartoci całkowitej liczby (np. 60) do rzeczywistej jest wykonana jednorazowo w czasie kompilacji zmienna uywana jednokrotnie w przypisaniu (np. temp3) moe by usunita 24

25 optymalizacja kodu [Aho2002] z postaci: na posta: 25

26 optymalizacja kodu w metodach optymalizacji kodu s due rónice w kompilatorach optymalizujcych, znaczna cz czasu kompilacji powicona jest optymalizacji kodu istniej jednak proste metody optymalizacji, niewiele wydłuajce czas optymalizacji 26

27 generacja kodu ostatni faz kompilacji jest generacja kodu jest to przemieszczalny kod maszynowy albo kod asemblera 27

28 generacja kodu [Aho2002] z postaci: na posta: 28

29 generacja kodu w rozkazach tych wystpuj dwa rejestry R1 i R2 pierwszy argument tych rozkazów to ródło, a drugi to przeznaczenie F w nazwie rozkazu oznacza operacje na wartociach zmiennopozycyjnych znak # oznacza, e 60.0 to stała 29

30 translacja instrukcji (2) [Aho2002] 30

31 optymalizacja kodu byłoby idealnie, gdyby kompilator wytwarzał kod wynikowy tak dobry, jakby był pisany rcznie ale tak nie jest, kompilator moe jedynie optymalizowa kod w trzech kierunkach: aby działał on szybciej, albo aby zajmował mniej miejsca, albo jedno i drugie 31

32 optymalizacja kodu kompilatory optymalizujce = poprawiajce kod optymalizacje niezalene od maszyny (nie uwzgldniajce właciwoci maszyny docelowej), na tym si koncentrujemy 32

33 optymalizacja kodu optymalizacje zalene od maszyny (uwzgldniajce właciwoci maszyny docelowej), to np. alokacja rejestrów i stosowanie specjalnych sekwencji instrukcji maszyny tym zajmiemy si póniej 33

34 optymalizacja kodu maksymalny efekt uzyskuje si, gdy poprawia si efektywno czsto wykonywanych fragmentów programu czsto zachodzi sytuacja, e mały fragment programu jest odpowiedzialny za istotn cz czasu wykonania programu takie fragmenty naley zidentyfikowa 34

35 optymalizacja kodu nie jest to trywialne zadanie, kompilator musi to odgadn (nie majc dostpu do przykładowych danych i programu profilujcego) dobrym fragmentem do poprawienia jest wewntrzna ptla w programie, mona j rozpozna po składni programu albo w wyniku analizy przepływu sterowania 35

36 optymalizacja kodu aby stworzy wydajny program wynikowy, musi istnie współpraca programisty i autora kompilatora opiszemy teraz przekształcenia kodu, poprawiajce wydajno programu obowizuje zasada: najwiksze zyski najmniejszym kosztem 36

37 kryteria stosowania przekształce poprawiajcych kod cechy przekształce obsługiwanych przez kompilator optymalizujcy: przekształcenie powinno zachowa znaczenie programu przekształcenie powinno przyspiesza program przekształcenie musi si opłaca 37

38 zachowanie znaczenia programu przekształcenie nie moe zmienia wyjcia programu dla danego wejcia przekształcenie nie moe wprowadza błdu, tam gdzie go nie było - np. dzielenia przez zero zawsze preferowany jest wybór bezpiecznego podejcia 38

39 przyspieszenie programu dla redniego przypadku nastpuje wymierne przyspieszenie zmniejszenie objtoci generowanego kodu nie dla kadych danych jest przyspieszenie, moe te wystpi spowolnienie 39

40 opłacalno nie ma sensu poprawianie kodu, jeeli wysiłek ten nie jest doceniony podczas wykonywania programu wynikowego nie ma sensu poprawianie kodu, jeeli dany program zostanie uruchomiony jedynie kilka razy 40