Генерация высококачественного кода для программ, написанных на СИ

Хислей Филипп Н.

printf("Debug Function

\n

");

Манифестные константы часто могут скрывать существование недостижимого кода, особенно если такой код определяется внутри включаемого файла-заголовка.

"Удаление лишних присваиваний" включает нахождение промежутка жизни переменной и удаление присваиваний этой переменной, если эти присваивания не могут изменить логику программы. Этот метод освобождает ограниченные ресурсы, такие как пространство стека или машинные регистры. В следующей последовательности команд:

a = 5;

b = 0;

a = b;

первый

оператор есть лишнее присваивание, и может быть удален безопасно. Лишние присваивания могут возникать непреднамеренно, когда промежуток жизни переменной велик и между вхождениями переменной имеется более-менее длинный код. Лишние присваивания могут быть также результатом предыдущих проходов оптимизации.

Цель "распределения переменных по регистрам" состоит в попытке обеспечить оптимальное назначение регистров путем сохранения часто используемых переменных в регистрах так долго, как это возможно, для того, чтобы исключить более медленный доступ к памяти. Количество регистров, доступных для использования, зависит от архитектуры процессора. Семейство микропроцессоров Intel 80x86 резервирует много регистров для специального использования и имеет несколько универсальных регистров. В помощь распределению переменных по регистрам язык Си предоставляет спецификатор класса регистровой памяти, который дает возможность программисту указывать, какие переменные должны располагаться в регистрах.

При назначении переменных регистрам компилятор принимает во внимание не только какие переменные нужно выделить, но также и регистры, которым они назначаются. Выбор переменных зависит от частоты их использования, промежутков жизни текущих регистровых переменных (которые определяются при анализе потоков данных) и количества доступных регистров. В зависимости от степени выполняемой компилятором оптимизации промежуток жизни переменной может определяться внутри единственного оператора, внутри базового блока или перекрывать несколько базовых блоков. Переменная сохраняется в регистре только если она будет снова использоваться. Если на переменную в дальнейшем не будет ссылок, то она сохраняется в оперативной памяти, освобождая регистр для другой переменной.

Поскольку оптимизирующему компилятору известен промежуток жизни переменной, он не будет намеренно генерировать "лишние операции сохранения и загрузки" (регистров). Лишние операции сохранения удаляются посредством удаления излишних присваиваний; лишние операции загрузки опускаются с помощью усовершенствованного распределения переменных по регистрам. Имея текст:

a = i + 2;

b = a + 3;

компилятор без возможностей оптимизации может сгенерировать следующий код:

mov AX,i

add AX,2

mov a,AX

mov AX,a

add AX,3

mov b,AX

тогда как оптимизирующий компилятор может использовать механизм размещения переменных в регистрах для удаления лишней четвертой инструкции (mov AX,a).

Время, проводимое в циклах, может считаться основной частью всего времени выполнения программы. Наиболее важным в оптимизации циклов является минимизация временных циклов микропроцессора, требуемых для одной итерации цикла. Количество инструкций, генерируемых для цикла, не так важно, как количество временных циклов, которое требуется для выполнения каждой инструкции. Простой цикл и код, сгенерированный для него четырьмя компиляторами, демонстрирует большое разнообразие в размере и качестве кода (см. рис. 2).

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

¦РИСУНОК 2: Простой цикл ¦

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

¦Исходный текст на Си BORLAND METAWARE ¦

¦ Turbo C 1.5 High C 1.4 ¦

¦(x) - врем. циклы (125) (87) ¦

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

¦k5 = 10000; mov j5,0 mov j5,0 ¦

¦j5 = 0; mov k5,10000 mov k5,10000 ¦

¦do { @10: L00e3: ¦

¦ k5 = k5 - 1; mov AX,k5 dec k5 ¦

¦ j5 = j5 + 1; dec AX inc j5 ¦

¦ i5 = (k5 * 3) / mov k5,AX mov AX,j5 ¦

¦ (j5 * constant5); mov AX,j5 mov SI,AX ¦

¦} while (k5 > 0); inc AX sal SI,2 ¦

¦ mov j5,AX add SI,AX ¦

¦ mov AX,k5 mov AX,k5 ¦

¦ imul AX,AX,3 mov DX,AX ¦

¦ push AX add DX,DX ¦

¦ mov AX,j5 add DX,AX ¦

¦ imul AX,AX,5 xchg AX,DX ¦

¦ mov BX,AX cwd ¦

¦ pop AX idiv SI ¦

¦ cwd mov I5,AX ¦

¦ idiv BX cmp k5,0 ¦

¦ mov i5,AX jnle L00e3 ¦

¦ cmp k5,0 ¦

¦ jg @10 ¦

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

¦ MICROSOFT WATCOM ¦

¦ C 5.0 C 6.0 ¦

¦ (46) (91) ¦

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

¦ mov j5,10000 mov j5,0 ¦

¦ mov k5,0 mov DI,10000 ¦

¦ mov CX,30000 L4 dec DI ¦

¦ sub SI,SI imul AX,DI,3 ¦

¦ $0265: inc j5 ¦

¦ sub CX,3 imul BX,j5,5 ¦

¦ add SI,5 cwd ¦

¦ mov AX,CX idiv BX ¦

¦ cwd mov i5,AX ¦

¦ idiv SI test DI,DI ¦

¦ mov DI,AX jg L4 ¦

¦ or CX,CX ¦

¦ jg $0265 ¦

¦ mov i5,DI ¦

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

¦ Компилятор Microsoft C 5.0 выполнил снижение мощности на ¦

¦ константном выражении и разместил в регистрах все ¦

¦ переменные внутри простого цикла, включая вычисляемое ¦

¦ значение i5. Высокая степень проведенного анализа цикла ¦

¦ демонстрируется тем, что заключительные состояния k5 и j5 ¦

¦ были определены заранее компилятором, а не позже, во ¦

¦ время выполнения. ¦

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

"Вынесение инвариантного (неизменяющегося) кода" - один из путей ускорения циклов, заключающийся в вынесении выражений за пределы цикла, если значения, ими вычисляемые, являются неизменными во время выполнения цикла. Если инвариантный код выносится из следующего цикла:

unsigned char i,j,k,v,x;

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