gitbook/编译原理实战课/docs/248770.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 07 | 代码优化:跟编译器做朋友,让你的代码飞起来
你好,我是宫文学。
一门语言的性能高低是它能否成功的关键。拿JavaScript来说十多年来它的性能多次得到成倍的提升这也是前端技术栈如此丰富和强大的根本原因。
因此,编译器会无所不用其极地做优化,而优化工作在编译器的运行时间中,也占据了很大的比例。
不过,对编译技术的初学者来说,通常会搞不清楚编译器到底做了哪些优化,这些优化的实现思路又是怎样的。
所以今天这一讲我就重点给你普及下编译器所做的优化工作及其工作原理。在这个过程中你还会弄明白很多似曾相识的术语比如在前端必须了解的AST、终结符、非终结符等在中后端必须熟悉的常数折叠、值编号、公共子表达式消除等。只有这样你才算是入门了。
首先,我带你认识一些常见的代码优化方法。
## 常见的代码优化方法
对代码做优化的方法有很多。如果要把它们分一下类的话,可以按照下面两个维度:
* **第一个分类维度,是机器无关的优化与机器相关的优化。**机器无关的优化与硬件特征无关比如把常数值在编译期计算出来常数折叠。而机器相关的优化则需要利用某硬件特有的特征比如SIMD指令可以在一条指令里完成多个数据的计算。
* **第二个分类维度,是优化的范围。**本地优化是针对一个基本块中的代码,全局优化是针对整个函数(或过程),过程间优化则能够跨越多个函数(或过程)做优化。
但优化算法很多,仅仅按照这两个维度分类,仍显粗糙。所以,我就按照优化的实现思路再分分类,让你了解起来更轻松一些。
### 思路1把常量提前计算出来
程序里的有些表达式,肯定能计算出一个常数值,那就不要等到运行时再去计算,干脆在编译期就计算出来。比如 “`x=2*3`”可以优化成“`x=6`”。这种优化方法,叫做**常数折叠Constant Folding**。
而如果你一旦知道x的值其实是一个常量那你就可以把所有用到x的地方替换成这个常量这叫做**常数传播Constant Propagation**。如果有“`y=x*2`”这样一个语句,那么就能计算出来“`y=12`”。所以说,常数传播会导致更多的常数折叠。
就算不能引起新的常数折叠,比如说“`z=a+x`”,替换成“`z=a+6`”以后计算速度也会更快。因为对于很多CPU来说“`a+x`”和“`a+6`”对应的指令是不一样的。前者可能要生成两条指令比如先把a放到寄存器上再把x加上去而后者用一条指令就行了因为常数可以作为操作数。
更有用的是,常数传播可能导致分支判断条件是常量,因此导致一个分支的代码不需要被执行。这种优化叫做**稀疏有条件的常数传播Sparse Conditional Constant Propagation**。
```
a = 2
b = 3
if(a<b){ //判断语句去掉
... //直接执行这个代码块
}
else{
... //else分支会去掉
}
```
### 思路2用低代价的方法做计算
完成相同的计算,可以用代价更低的方法。比如“`x=x+0`”这行代码操作前后x没有任何变化所以这样的代码可以删掉又比如“`x=x*0`” 可以简化成“`x=0`”。这类利用代数运算的规则所做的简化,叫做**代数简化Algebra Simplification。**
对于很多CPU来说乘法运算改成移位运算速度会更快。比如“`x*2`”等价于“`x<<1`”,“`x*9`”等价于“`x<<3+x`”。这种采用代价更低的运算的方法也叫做**强度折减Strength Reduction**。
### 思路3消除重复的计算
下面的示例代码中第三行可以被替换成“`z:=2*x`”, 因为y的值就等于x这个时候可能x的值已经在寄存器中所以直接采用x运算速度会更快这种优化叫做**拷贝传播Copy Propagation)。**
```
x := a + b
y := x
z := 2 * y
```
**值编号Value Numbering**也能减少重复计算值编号是把相同的值在系统里给一个相同的编号并且只计算一次即可比如[Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Value_numbering)上的这个案例
```
w := 3
x := 3
y := x + 4
z := w + 4
```
其中w和x的值是一样的因此编号是相同的这会进一步导致y和z的编号也是相同的进而它们可以简化成
```
w := 3
x := w
y := w + 4
z := y
```
值编号又可以分为两种本地值编号在一个基本块中和全局值编号GVN在一个函数范围内)。
还有一种优化方法叫做**公共子表达式消除Common Subexpression EliminationCSE**也会减少计算次数下面这两行代码x和y右边的形式是一样的如果这两行代码之间a和b的值没有发生变化比如采用SSA形式那么x和y的值一定是一样的
```
x := a + b
y := a + b
```
那我们就可以让y等于x从而减少了一次对“`a+b`”的计算这就是公共子表达式消除
```
x := a + b
y := x
```
**部分冗余消除Partial Redundancy EliminationPRE**是公共子表达式消除的一种特殊情况比如这个来自[Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Partial_redundancy_elimination)的例子中一个分支有“`x+4`”这个公共子表达式而另一个分支则没有
```
if (some_condition) {
// some code that does not alter x
y = x + 4;
}
else {
// other code that does not alter x
}
z = x + 4;
```
但是上述代码仍然可以优化使得在if结构中,“`x+4`”这个值肯定会被计算一次因此“`z=x+4`”就可以被优化。
```
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;
```
### 思路4化零为整向量计算
很多CPU支持向量运算也就是SIMDSingle Instruction Multiple Data指令这就可以在一条指令里计算多个数据比如AVX-512指令集可以使用512位的寄存器做运算这个指令集的一条add指令相当于一次能把16个整数加到另16个整数上以1当16呀
比如把16万个整数相加应该怎样写程序呢普通方法是循环16万次每次读1个数据并做累加向量化的方法是每次读取16个用AVX-512指令做加法计算一共循环计算1万次最后再把得到的16个数字相加就行了
向量优化的一个例子是**超字级并行Superword-Level ParallelismSLP)**。它是把基本块中的多个变量组成一个向量用一个指令完成多个变量的计算
向量优化的另一个例子是**循环向量化Loop Vectorization**我会在下面针对循环的优化思路中讲到它
### 思路5化整为零各个优化
另一个思路是反着的是化整为零
很多语言都有结构和对象这样的复合数据类型内部包含了多个成员变量这种数据类型叫做**聚合体aggregates**。通常为这些对象申请内存的时候是一次就申请一整块能放下里面的所有成员但这样做非常不利于做优化
通常的优化算法都是针对标量Scalar如果经过分析发现可以把聚合体打散像使用单个本地变量也就是标量一样使用聚合体的成员变量那就有可能带来其他优化的机会比如可以把聚合体的成员变量放在寄存器中进行计算根本不需要访问内存
这种优化叫做**聚合体的标量替换Scalar Replacement of AggregatesSROA)。**在研究Java的JIT编译器时我们会见到一个这类优化的例子
### 思路6针对循环重点优化
在编译器中对循环的优化从来都是重点因为程序中最多的计算量都是被各种循环消耗掉的所以对循环做优化会起到事半功倍的效果如果一个循环执行了10000次那么你的优化效果就会被扩大10000倍
对循环做优化有很多种方法我来和你介绍几种常用的
**第一种归纳变量优化Induction Variable Optimization。**
看下面这个循环其中的变量j是由循环变量派生出来的这种变量叫做该循环的归纳变量归纳变量的变化是很有规律的因此可以尝试做**强度折减**优化示例代码中的乘法可以由加法替代
```
int j = 0;
for (int i = 1; i < 100; i++) {
j = 2*i; //2*i可以替换成j+2
}
return j;
```
**第二种边界检查消除Unnecessary Bounds-checking Elimination。**
当引用一个数组成员的时候通常要检查下标是否越界在循环里面如果每次都要检查的话代价就会相当高例如做多个数组的向量运算的时候)。如果编译器能够确定在循环中使用的数组下标通常是循环变量或者基于循环变量的归纳变量不会越界那就可以消除掉边界检查的代码从而大大提高性能
**第三种循环展开Loop Unrolling。**
把循环次数减少但在每一次循环里完成原来多次循环的工作量比如
```
for (int i = 0; i< 100; i++){
sum = sum + i;
}
```
优化后可以变成
```
for (int i = 0; i< 100; i+=5){
sum = sum + i;
sum = sum + i + 1;
sum = sum + i + 2;
sum = sum + i + 3;
sum = sum + i + 4;
}
```
进一步循环体内的5条语句就可以优化成1条语句:“`sum = sum + i*5 + 10;`”。
减少循环次数本身就能减少循环条件的执行次数同时它还会增加一个基本块中的指令数量从而为指令排序的优化算法创造机会指令排序会在下一讲中介绍
**第四种循环向量化Loop Vectorization。**
在循环展开的基础上我们有机会把多次计算优化成一个向量计算比如如果要循环16万次对一个包含了16万个整数的数组做汇总就可以变成循环1万次每次用向量化的指令计算16个整数
**第五种重组Reassociation。**
在循环结构中使用代数简化和重组能获得更大的收益比如如下对数组的循环操作其中数组`a[i,j]`的地址是“`a+i*N+j`”。但这个运算每次循环就要计算一次一共要计算`M*N`但其实这个地址表达式的前半截“`a+i*N`”不需要每次都在内循环里计算只要在外循环计算就行了
```
for (i = 0; i< M; i++){
for (j = 0; j<N; j++){
a[i,j] = b + a[i,j];
}
}
```
优化后的代码相当于
```
for (i = 0; i< M; i++){
t=a+i*N;
for (j = 0; j<N; j++){
*(t+j) = b + *(t+j);
}
}
```
**第六种循环不变代码外提Loop-Invariant Code MotionLICM。**
在循环结构中如果发现有些代码其实跟循环无关那就应该提到循环外面去避免一次次重复计算
**第七种代码提升Code Hoisting或Expression Hoisting。**
在下面的if结构中then块和else块都有“`z=x+y`”这个语句它可以提到if语句的外面。
```
if (x > y)
...
z = x + y
...
}
else{
z = x + y
...
}
```
这样变换以后至少代码量会降低但是如果这个if结构是在循环里面那么可以继续借助**循环不变代码外提**优化“`z=x+y`”从循环体中提出来,从而降低计算量。
```
z = x + y
for(int i = 0; i < 10000; i++){
if (x > y)
...
}
else{
...
}
}
```
另外前面说过的部分冗余优化也可能会产生可以外提的代码借助这一优化方法可以形成进一步优化的效果
针对循环能做的优化还有不少因为对循环做优化往往是收益很高的
### 思路7减少过程调用的开销
你知道当程序调用一个函数的时候开销是很大的比如保存原来的栈指针保存某些寄存器的值保存返回地址设置参数等等其中很多都是内存读写操作速度比较慢
所以如果能做一些优化减少这些开销那么带来的优化效果会是很显著的具体的优化方法主要有下面几种
**第一种尾调用优化Tail-call Optimization和尾递归优化Tail-recursion Elimination。**
尾调用就是一个函数的最后一句是对另一个函数的调用比如下面这段示例代码
```
f(){
...
return g(a,b);
}
```
而如果g()本身就是f()的最后一行代码那么f()的栈帧已经没有什么用了可以撤销掉了修改栈顶指针的值然后直接跳转到g()的代码去执行就像f()和g()是同一个函数一样这样可以让g()复用f()的栈空间减少内存消耗也减少一些内存读写操作比如保护寄存器写入返回地址等)。
如果f()和g()是同一个函数这就叫做**尾递归**。很多同学都应该知道尾递归是可以转化为一个循环的我们在[第3讲](https://time.geekbang.org/column/article/244906)改写左递归文法为右递归文法的时候就曾经用循环代替了递归调用尾递归转化为循环不但可以节省栈帧的开销还可以进一步导致针对循环的各种优化
**第二种内联inlining。**
内联也叫做过程集成Procedure Integration就是把被调用函数的代码拷贝到调用者中从而避免函数调用
对于我们现在使用的面向对象的语言来说有很多短方法比如gettersettter方法这些方法内联以后不仅仅可以减少函数调用的开销还可以带来其他的优化机会在探究Java的JIT编译器时我就会为你剖析一个内联的例子
**第三种内联扩展In-Line Expansion。**
内联扩展跟普通内联类似也是在调用的地方展开代码不过内联扩展被展开的代码通常是手写的高度优化的汇编代码
**第四种叶子程序优化Leaf-Routine Optimization。**
叶子程序是指不会再调用其他程序的函数或过程)。因此它也可以对栈的使用做一些优化比如你甚至可以不用生成栈帧因为根据某些调用约定程序可以访问栈顶之外一定大小的内存这样就省去了保存原来栈顶修改栈顶指针等一系列操作
### 思路8对控制流做优化
通过对程序的控制流分析我们可以发现很多优化的机会这就好比在做公司管理优化业务流程就会提升经营效率我们来看一下这方面的优化方法有哪些
**第一种不可达代码消除Unreacheable-code Elimination**根据控制流的分析发现有些代码是不可能到达的可以直接删掉比如return语句后面的代码
**第二种死代码删除Dead-code Elimination**通过对流程的分析发现某个变量赋值了以后后面根本没有再用到这个变量这样的代码就是死代码就可以删除
**第三种If简化If Simplification)**在讲常量传播时我们就见到过如果有可能if条件肯定为真或者假那么就可以消除掉if结构中的then块else块甚至整个消除if结构
**第四种循环简化Loop Simplification**也就是把空循环或者简单的循环变成直线代码从而增加了其他优化的机会比如指令的流水线化
**第五种循环反转Loop Inversion**这是对循环语句常做的一种优化就是把一个while循环改成一个repeatuntil循环或者dowhile循环)。这样会使基本块的结构更简化从而更有利于其他优化
**第六种拉直Straightening**如果发现两个基本块是线性连接的那可以把它们合并从而增加优化机会
**第七种反分支Unswitching**也就是减少程序分支因为分支会导致程序从一个基本块跳到另一个基本块这样就不容易做优化比如把循环内部的if分支挪到循环外面去先做if判断然后再执行循环这样总的执行if判断的次数就会减少并且循环体里面的基本块不那么零碎就更加容易优化
这七种优化方法都是对控制流的优化有的减少了基本块有的减少了分支有的直接删除了无用的代码
## 代码优化所依赖的分析方法
前面我列举了很多优化方法目的是让你认识到编译器花费大量时间去做的到底都是一些什么工作当然了我只是和你列举了最常用的一些优化方法不过这已经足够帮助你建立对代码优化的直觉认知了我们在研究具体的编译器的时候还会见到其他一些优化方法不过你不用担心根据上面讲到的各种优化思路你可以举一反三非常快速地理解这些新的优化方法
上述优化方法有的比较简单比如常数折叠依据AST或MIR做点处理就可以完成但有些优化就需要比较复杂的分析方法做支撑才能完成这些分析方法包括控制流分析数据流分析依赖分析和别名分析等
**控制流分析Control-Flow AnalysisCFA**控制流分析是帮助我们建立对程序执行过程的理解比如哪里是程序入口哪里是出口哪些语句构成了一个基本块基本块之间跳转关系哪个结构是一个循环结构从而去做循环优化等等
前面提到的控制流优化就是要基于对控制流的正确理解下面要讲的数据流分析算法在做全局分析的时候也要基于控制流图CFG所以也需要以控制流分析为基础
**数据流分析Data-Flow AnalysisDFA**数据流分析能够帮助我们理解程序中的数据变化情况我们看一个分析变量活跃性的例子
如下图所示它从后到前顺序扫描代码花括号中的是在当前位置需要的变量的集合如果某个变量不被需要那就可以做死代码删除的优化
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/68/8f/6812816f06d89014070633aed1ee3f8f.jpg)
经过多遍扫描和删除后最后的代码会精简成一行
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/00/b9/00e66d72db71e2fd1f674af2589e89b9.jpg)
关于数据流分析框架的详细描述你可以再参考下其他资料比如,《编译原理之美专栏第[27](https://time.geekbang.org/column/article/155338)[28](https://time.geekbang.org/column/article/156878)两讲)。
除了做变量活跃性分析以外数据流分析方法还可以做很多有用的分析比如可达定义分析Reaching Definitions Analysis)、可用表达式分析Available Expressions Analysis)、向上暴露使用分析Upward Exposed Uses Analysis)、拷贝传播分析Copy-Propagation Analysis)、常量传播分析Constant-Propagation Analysis)、局部冗余分析Partial-Redundancy Analysis
就像基于变量活跃性分析可以做死代码删除的优化一样上述分析是做其他很多优化的基础
**依赖分析Dependency Analysis**依赖分析就是分析出程序代码的控制依赖Control Dependency和数据依赖Data Dependency关系这对指令排序和缓存优化很重要
指令排序会在下一讲介绍它能通过调整指令之间的顺序来提升执行效率但指令排序不能打破指令间的依赖关系否则程序的执行就不正确
**别名分析Alias Analysis**在CC++等可以使用指针的语言中同一个内存地址可能会有多个别名因为不同的指针都可能指向同一个地址编译器需要知道不同变量是否是别名关系以便决定能否做某些优化
好了你已经了解了优化的方法和所依赖的分析方法那么这些方法这么多哪些优化方法更重要优化的顺序又是什么呢
## 优化方法的重要性和顺序
我们先看看哪些优化方法更重要
有些优化比如对循环的优化对每门语言都很重要因为循环优化的收益很大
而有些优化对于特定的语言更加重要在课程后面分析像JavaJavaScript这样的面向对象的现代语言时你会看到内联优化和逃逸分析的收益就比较大而对于某些频繁使用尾递归的函数式编程语言来说尾递归的优化就必不可少否则性能损失太大
至于优化的顺序有的优化适合在早期做基于HIR和MIR有的优化适合在后期做基于LIR和机器代码)。并且你通过前面的例子也可以看到一般做完某个优化以后会给别的优化带来机会所以经常会在执行某个优化算法的时候调用了另一个优化算法而同样的优化算法也可能会运行好几遍
## 课程小结
今天这讲我带你认识了很多常见的优化方法和背后的分析方法我们很难一下子记住所有的方法但完全可以先对这些概念建立总体印象这样可以避免在研究具体编译器时我们产生瞎子摸象的感觉
另外熟悉我提到的那些名词术语也很重要因为它们经常在代码注释和相关文献里出现这些名词要成为你的一项基本功
我把今天的课程内容也整理成了思维导图供你复习参考
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ec/a0/ec83e01a9471d19b285aac365694c3a0.jpg)
在课程的第二个模块真实编译器解析篇的时候我会和你分析某些优化算法具体的实现细节并带你跟踪编译优化的过程
根据我的经验当你写的程序对性能要求很高的时候你需要能够跟踪了解编译优化的过程看看如何才能达到最好的优化效果我之前写过与内存计算有关的程序就特别关注如何才能让编译器做向量优化因为是否使用向量性能差别很大现在做AI工作的同学一定也有类似的需求
还有些开源项目它们的性能与内联关系密切这就要做一定的调优以确保使用频率最高性能影响最大的函数全部内联
还有ChromeAndroid和Flutter共同使用的二维图形引擎Skia对性能很敏感所以即使在Windows平台上仍然要求用Clang编译为啥坚持用Clang编译呢因为Skia跟LLVM的优化方法是紧密配合的换了其他编译器就达不到这么好的优化效果
类似的例子还有很多了解优化能够充分利用编译器的优化能力应该是我们想拥有的一项高级技能
## 一课一思
你可以比较一下值编号和公共子表达式消除这两个优化方法说说它们的相同点和不同点吗你能举出一个例子来是其中一个算法能做优化而另一个算法不能的吗
欢迎在留言区中分享你的思考也欢迎你把这节课分享给你的朋友
## 参考资料
1. 龙书Compilers Principles, Techniques and Tools第9章机器无关的优化里面介绍了各种优化算法
2. 鲸书Advanced Compiler Design and Implementation中讲优化的算法有很多第7~15章你都可以看看