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39｜中端优化第2关：全局优化要怎么搞？
你好，我是宫文学。
上一节课，我们用了一些例子，讨论了如何用基于图的IR来实现一些优化，包括公共子表达式删除、拷贝传播和死代码删除。但这些例子，都属于本地优化的场景。也就是说，在未来生成的汇编代码中，这些代码其实都位于同一个基本块。
不过，复杂一点的程序，都会有if语句和循环语句这种流程控制语句，所以程序就会存在多个基本块。那么就会存在跨越多个基本块的优化工作，也就是全局优化。
所以，今天这节课，我们就来讨论一下如何基于当前的IR做全局优化。同时，为了达到优化效果，我们这一节课还需要把浮动的数据节点划分到具体的基本块中去，实现指令的调度。
但在讨论全局优化的场景之前，我还要先给你补充一块知识点，就是变量的版本和控制流的关系，让你能更好地理解全局优化。
变量的版本和控制流的关系
通过前几节课我们已经知道，我们的IR生成算法能够对一个变量产生多个版本的定义，从而让IR符合SSA格式。可是，我们是如何来表示不同版本的定义的，又是如何确定程序中到底引用的是变量的哪个版本呢？
在IR的模型中，我引入了一个VarProxy类，来引用变量的一个版本，就像d0、d1和d2，也有的文献把变量的一个定义叫做变量的一个定值。VarProxy里面保存了一个VarSymbol，还包括了一个下标：
//代表了变量的一次定义。每次变量重新定义，都会生成一个新的Proxy，以便让IR符合SSA格式
class VarProxy{
varSym:VarSymbol;
index:number; //变量的第几个定义
constructor(varSym:VarSymbol, index:number){
this.varSym = varSym;
this.index = index;
}
get label():string{
return this.varSym.name+this.index;
}
}
每次遇到变量声明、变量赋值，以及像i++这样能够导致变量值改变的语句时，我们就会产生一个新的变量定义，也就是一个VarProxy。这个VarProxy会被绑定到一个具体的DataNode上。所以，我在IR中显示DataNode节点的时候，也会把绑定在这个节点上的变量定义一并显示出来。
那当我们在程序中遇到一个变量的时候，如何确定它采用的是哪个版本呢？
这就需要我们在生成IR的过程中，把VarProxy与当前的控制流绑定。每个控制流针对每个变量，只有一个确定的版本。
//把每个变量绑定到控制流，从而知道当前代码用到的是变量的哪个定义
//在同一个控制流里，如果有多个定义，则后面的定义会替换掉前面的。
varProxyMap:Map<AbstractBeginNode,Map<VarSymbol,VarProxy>> = new Map();
在这里，我们还用了一个AbstractBeginNode节点来标识一个控制流。因为每个控制流都是存在一个起点的。而每个控制流节点，透过它的predecessor链，总能找到自己这条控制流的开始节点。
//获取这条控制流的开头节点
get beginNode():AbstractBeginNode{
if (this instanceof AbstractBeginNode){
return this;
}
else{
return (this.predecessor as UniSuccessorNode).beginNode;
}
}
但是，如果变量不是在当前控制流中定义的，而是在前面的控制流中定义的，那我们可以递归地往前查找。这里具体的实现，你可以参考一下getVarProxyFromFlow()。
最后，如果控制流的起点是一个merge节点，那这个变量就可能是在分支语句中定义的，那我们就要生成一个Phi节点，并把这个Phi节点也看成是变量定义的一个版本，方便我们在后续程序中引用。
好了，相信现在你已经可以更清晰地理解变量版本与控制流之间的关系了。现在我们基于这些前置知识，就可以开始讨论全局优化的场景了。
全局的死代码删除
上一节课，我们实现了基本块中的死代码删除功能。那个时候，我们基本上只需要考虑数据流的特点，把uses属性为空的节点删除掉就行了。因为这些节点对应的变量定义没有被引用，所以它们就是死代码。
那么，现在考虑带有程序分支的情况，会怎么样呢？
我们还是通过一个例子来分析一下。你可以先停下来两分钟，用肉眼看一下，看看哪些代码可以删除：
function deadCode2(b:number,c:number){
let a:number = b+c;
let d:number;
let y:number;
if (b > 0){
b = a+b;
d = a+b;
}
else{
d = a+c;
y = b+d;
}
let x = a+b;
y = c + d;
return x;
}
我也把答案写出来了，看看跟你想的是否一样。在整个代码优化完毕以后，其实只剩下很少的代码了。变量c、d和y的定义都被优化掉了。
function deadCode2(b:number,c:number){
let a:number = b+c;
if (b > 0){
b = a+b;
}
let x = a+b;
return x;
}
这个例子其实是我在《编译原理之美》第28节中举的一个例子。在那里，我是基于CFG做变量活跃性分析，再基于分析结果去做优化。你有兴趣的话可以去看一下。那个算法的核心，是跨越多个基本块做变量活跃性分析。一个基本块的输出，会顺着控制流，成为另一个基本块的输入。在这门课的第20节，我也介绍过这种变量活跃性分析的思路，所以这里我就不再去重复了。
那在这节课中，我们感兴趣的是，基于现在的IR，我们能否更便捷地实现变量活跃性分析，实现死代码的删除呢？
我们先来运行一下“node play example_opt2.ts --dumpIR”命令，看一下deadCode2函数对应的IR是什么样子的。
你会发现，这个图里加入了If节点，并产生了流程分支，然后又通过Merge节点合并到了一起，不同流程分支的变量产生了多个定义。相应的，IR中也有Phi节点，用来选择不同流程分支的变量定义。
以变量d为例，实际上现在我们的程序保存了d的三个定义，在if块中定义了d0，在else块中定义了d1，“y = c + d”这一句中还有一个。不过在“y = c + d”这一句中的变量d，要通过phi节点来获得。类似的，变量b也有三个定义，而变量y也有两个不同的定义。
同时，你还会发现，图中有几个节点的uses属性为空集合。比如y0和y1，所以我们又可以把它们从图中去掉。而在去掉了y0和y1以后，d0、d1和d2也不再有用，所以也可以去掉。做过这些优化以后，IR图就变成了下面的样子：
而最后这个版本，其实就可以对应上优化后的那个源代码了。
所以，我们在全局做死代码的删除，其实跟前一节课的本地优化没有区别，都是根据uses属性来做判断。因为这个时候，控制流并没有影响我们的优化算法。
不过，并不是在所有情况下，控制流都不会影响到优化。我们再来分析一种优化技术，就是部分冗余消除。在这个场景下，控制流的影响就会体现出来。
部分冗余消除（PRE）
我们之前讨论过公共子表达式删除（CSE），说的是如果两个表达式有公共的子表达式，那么这个子表达式可以只计算一次。
在全局优化中有一种类似的情况，两个表达式中也存在公共子表达式，但是它们位于不同的流程分支，这种情况下我们可以使用部分冗余消除算法。
部分冗余消除（Partial Redundancy Elimination，PRE），是公共子表达式消除的一种特殊情况。我这里用了一个来自wikipedia的例子，这个程序里一个分支有“x+4”这个公共子表达式，而另一个分支则没有。
你用肉眼就可以看出，这个例子优化得不够好的地方，比如，如果some_condition为true，那么x+4这个子表达式就要计算两次：
if (some_condition) {
// some code that does not alter x
y = x + 4;
}
else {
// other code that does not alter x
}
z = x + 4;
这些代码经过优化以后，可以改成下面这样。当some_condition为true的时候，x+4也只需要计算一次：
if (some_condition) {
// some code that does not alter x
t = x + 4;
y = t;
}
else {
// other code that does not alter x
t = x + 4;
}
z = t;
这个时候，两个条件分支里都有t = x+4这个语句，那我们还可以把它提到外面去，让生成的代码更小一点：
t = x + 4;
if (some_condition) {
// some code that does not alter x
y = t;
}
else {
// other code that does not alter x
}
z = t;
如果用我们的IR对这个例子进行优化，也很容易实现。我们先把这个wikipedia的例子用TypeScript改写一下：
function PRE(x:number):number{
let y:number = 0;
if (x>0){
y = x+4;
}
let z = x+4;
return y+z;
}
然后再生成它的IR看一下：
从这个IR中你能看到，x+4对应着编号为8的节点，y1和z的值都是x+4，最后的返回值是13号节点，也就是y2+z。而y2是一个phi节点，根据流程分支，它的值可能是常量0，也可能是x+4。
我们再进一步，如果你研究13号节点的def链，你会发现它肯定会依赖到8号节点，也就是x+4。无论程序是否经过if语句的那条控制流，都会是这样。所以，当我们把节点划分到基本块的时候，8号节点可以划分到if语句之前的基本块，这样就实现了对x+4只计算一次的目的。相当于下面的代码：
function PRE(x:number):number{
let y:number = 0;
let t = x+4;
if (x>0){
y = t;
}
let z = t;
return y+z;
}
从这个例子你能看出来，其实基于我们的IR，数据流的计算总能达到最节省计算量的效果。那么在全局优化中，重点其实就变成了如何把不同的数据节点划分到不同的基本块中。就像刚才，我们可以把x+4计算放在if语句中，也可以放在外面。在某些情况下，这种不同的划分会影响到程序的性能。
所以，接下来我们就讨论一下如何划分基本块，并进行指令的调度。
划分基本块和指令调度（Schedule）
我们当前的IR采用的是一个基于图的数据结构。可是我们在生成汇编代码的时候，还是要把整个程序划分成基本块，并在基本块之间实现跳转。这个时候，我们就要采用一个调度算法，确定把哪条代码放到哪个基本块。
划分基本块其实比较简单，我们基于控制流做运算就行了。每产生一个控制流分支的时候，我们就划分一个新的基本块。比如，我们刚才的PRE示例程序就可以划分成四个基本块，if语句前后各有一个，而if语句的两个分支也分别是一个基本块。
接下来，我们就要把各个数据流节点也纳入到不同的基本块中去。由于数据节点是浮动的，它其实有比较大的自由度，可以归到不同的基本块中去。那我们这里的算法，就是如果某个表达式的计算会出现在多个流程分支里，我们就尽量把它提到外面去。比如对x+4的计算，我们就把它放到第1个基本块中了。
那看着前面这张图，你可能会产生疑问：难道if条件的两个流程分支都是空的基本块吗？按照源代码，在x>0的时候，应该有一个y=t的赋值呀？
没错，我们现在把控制流的Merge节点和数据流的Phi节点都归到了第4个基本块。但其实phi节点会在Merge节点之前的两个基本块中生成代码的。只不过是因为，我们现在在HIR的阶段，只能画成这样，没法把phi节点划分到前面两个不同的基本块去。在生成LIR或汇编代码的时候，phi节点就会被转化成位于基本块中的代码。所以，这个阶段，我们只需要记住phi节点生成代码的特点就行了。
看到这里，我相信你已经基本了解如何划分基本块和做代码调度了。其实，在这里讨论这些，我是为了引出下一个全局优化，也就是循环无关代码外提。
循环无关代码外提（LICM）
我们在第36节课曾经讨论锅一个循环无关代码外提（Loop-Invariant Code Motion，LICM）的例子。在这个例子中，变量c的定义是与循环无关的，却被放到了循环的内部，导致每次循环都要计算一遍a*a：
function LICM(a:number):number{
let b = 0;
for (let i = 0; i< a; i++){
let c = a*a; //变量c的值与循环无关，导致重复计算！
b = i + c;
}
return b;
}
所以，理想的优化结果，就是这行代码提到循环的外面。这样，a*a的值只需要计算一次就行了：
function LICM(a:number):number{
let b = 0;
let c = a*a; //外提
for (let i = 0; i< a; i++){
b = i + c;
}
return b;
}
当然，这么做也有一个风险，就是如果程序并不进入循环，那么这次计算就白做了，反倒多消耗了计算量。不过，这个情况总归是小概率事件。除非我们有运行时的统计数据作依托，不然我们很难做出更准确地选择。
在静态编译的情况下，我们只能假设把它放到循环外面，大概率是比放在循环里面更好一些。从这个场景中，你也能再次体会到“全生命周期优化”的意义，AOT编译并不总是能得到最好的效果。
那要如何实现这个优化呢？我们还是把这个程序生成IR来看一下：
从这个IR图中，我们能看出a*a计算确实是与循环无关的，是可以在循环内部和外部浮动的。相比之下，变量i和b1的计算，则受限于控制流的结构，只能出现在LoopBegin之后。
所以，基于我们的指令调度算法，我们就把a*a这个节点归入第1个基本块，这样就实现了循环无关代码的外提。
课程小结
好了，这就是今天这节课全部的内容了。这节课里，我们讨论了在全局做优化会涉及的的一些技术点，包括：
首先，在SSA格式下，变量可以产生多个定义。在生成IR的过程中，我们要把每个变量定义跟产生它的控制流相关联，这样我们在数据流中引用变量的时候，就能找到正确的定义了。
第二，在全局死代码删除的时候，我们只需要考虑数据节点的属性就行，也就是看uses属性是否为空就好了。这跟在一个基本块中做死代码删除没有区别。
第三，在全局做公共子表达式删除的时候，我们会遇到部分冗余消除的优化场景。基于我们当前的IR，可以保证公共子表达式只计算一次。
第四，在全局优化中，我们需要考虑把数据节点放到哪个基本块中，这叫做指令调度。在有些场景下，比如循环无关代码外提，把指令划分到不同的基本块会导致不同的性能。在AOT编译时，我们通常总是把循环无关的代码提到循环外面。
思考题
我们这两节课分析了不少优化算法，不知道你还有没有了解过其他优化算法？它们在我们的IR中是否也很容易实现呢？比如，我在《编译原理实战课》的第07讲，提到了很多优化算法。我建议你研究一下全局值编号（GVN）和代码提升（Code Hoisting）在我们的IR上如何实现。欢迎在留言区分享你的发现。
欢迎你把这节课分享给更多感兴趣的朋友。我是宫文学，我们下节课见。