Optimalizace (informatika)

Dříve byla optimalizace prováděna hlavně člověkem, dnes je prováděna již strojově. Optimalizace mohou probíhat na různých úrovních:

Optimalizace kódu mohou být také obecně klasifikovány jako platformy závislé a nezávislé na platformě techniky. Zatímco druhá z nich je účinná na většině nebo všech platformách, na platformě závislé techniky se používají specifické vlastnosti jedné platformy, nebo se spoléhá na parametry v závislosti na jediné platformě nebo dokonce na jednom procesoru. Psaní nebo vyrábění různých verzí stejného kódu pro různé procesory tedy může být zapotřebí. Například v případě kompilace úrovně optimalizace, nezávislé na platformě techniky jsou obecné techniky (například smyčky, snížení volání funkce, paměťové efektivní rutiny, snížení podmínek atd.), které nejvíce ovlivňují CPU architektury podobným způsobem. Obecně platí, že tyto techniky slouží ke snížení celkové délky instrukční cesty k dokončení programu a nebo snížení celkové využití paměti během procesu. Na druhou stranu, na platformě závislé techniky zahrnují plánování instrukcí, instrukční paralelismus, datový paralelismus, technologie vyrovnávací paměti optimalizace (tj. parametry, které se liší mezi různými platformami) a optimální plánování instrukcí by mohlo být odlišné i na různých procesorech stejné architektury.

Výpočetní úlohy lze provést několika různými způsoby s různou účinností. Mějme například následující C fragment kódu, jehož záměrem je získat součet všech celých čísel od 1 do N:

int i, sum = 0;
for (i = 1; i <= N; ++i) {
  sum += i;
}
printf("sum: %d\n", sum);

Tento kód může (za předpokladu, že nenastane aritmetické přetečení) být přepsán pomocí matematického vzorce, jako je:

int sum = N * (1 + N) / 2;
printf("sum: %d\n", sum);

Optimalizace se v některých případech provádí automaticky prostřednictvím optimalizace kompilátoru. Dále je nutné vybrat metodu (algoritmus), která je výpočetně efektivní, při zachování stejné funkčnosti. Viz algoritmická účinnost k diskusi o některých z těchto technik. Nicméně, významné zlepšení výkonu se často dalo dosáhnout tím, že odstraní nadbytečné funkce.

Optimalizace není vždy jasný a intuitivní proces. Ve výše uvedeném příkladu, může „optimální“ verze vlastně být pomalejší než původní verze, pokud N je dostatečně malé. Je třeba si také dát pozor na předsudky založené na zastaralých informacích jako například stále odolávající tvrzení, že sčítání je rychlejší než na násobení a dělení.

• Lokální optimalizace
  • v rámci bloku programu (bez skoků, lineární zpracování)
  • nemusíme znát kontextovou gramatiku
• Globální optimalizace
  • v rámci podprogramů (reorganizace kódu funkcí a procedur, zánik částí)
  • v rámci celého programu (spojování funkcí s ohledem na to, že nejpoužívanější jsou pospolu)

Analýza indukčních proměnných

Indukční proměnné jsou takové proměnné, které se v každé iteraci cyklu změní o konstantní hodnotu. Příkladem může být výpočet proměnné j:=4*i+1, kde i je číslo iterace. Náročná operace násobení zde může být nahrazena rychlejším postupným přičítáním v každé iteraci.

Štěpení cyklů

Při štěpení cyklů se překladač snaží rozdělit cykly na několik jednodušších, kdy každý vykonává určitou část těla původního cyklu. Tím lze optimalizovat lokální proměnné i zpracovávaných dat.

Slučování cyklů

Opak štěpení, kdy dochází ke sloučení těl dvou cyklů se stejným rozsahem hodnot řídící proměnné (konkrétní rozsah nemusí být při kompilaci známý). Tím lze redukovat režijní náklady cyklu.

Zaměňování cyklů

V této technice se zaměňují vnější a vnořené cykly tak, aby byla zlepšena lokálnost proměnných nebo zpracovávaných dat a lépe využívána cache procesoru.

Invariant cyklu

Pokud je nějaký výraz v cyklu přepočítáván v každé iteraci znovu, přičemž má konstantní hodnotu, je možné ho vyhodnotit pouze jednou před začátkem cyklu a tím zjednodušit výpočet uvnitř těla cyklu.

Rozvinutí cyklu

Tělo původního cyklu se provede při každé iteraci několikrát, čímž dochází k redukci celkového počtu iterací a tím i režijních nákladů cyklu. Navíc tak dochází ke zmenšení počtu skoků, díky čemuž se lépe využívá pipeline procesoru. Pro úplné rozvinutí cyklu je nutné znát počet iterací již při kompilaci.

Unswitching

Unswitching je technika, při které se kompilátor snaží odstranit podmíněné skoky uvnitř těla cyklu tak, že je přesune vně cyklu a tělo cyklu poté duplikuje do každé větve podmínky. Podmínka se pak vyhodnocuje pouze jednou před začátkem cyklu.

Automatická paralelizace

Cyklus je převeden na vícevláknový nebo vektorizovaný kód pro efektivnější výpočet na víceprocesorových počítačích se sdílenou pamětí.

Eliminace společných podvýrazů

Některé výrazy obsahují opakující se podvýrazy, které není nutné počítat vždy znovu. Například ve výrazu (a+b)-(a+b)/4 se podvýraz (a+b) během výpočtu nemění a je tedy možné ho vypočítat pouze jednou.

Výpočet konstantních výrazů

Konstantní výrazy jako (3+5) lze vypočítat již během překladu, nahradit ve zdrojovém kódu jejich výslednou hodnotou a tím ušetřit čas při běhu programu.

Analýza ukazatelů

Pokud jsou ve zdrojovém kódu použity ukazatele, je obtížné ho optimalizovat, protože při zápisu do paměti pomocí ukazatele může dojít ke změně libovolné proměnné uložené na adrese zápisu. Analýza ukazatelů se proto snaží určit, které ukazatele a proměnné operují se stejnou pamětí, čehož pak lze využít při další optimalizaci.

Alokace registrů

Nejčastěji používané proměnné by měly být uloženy v registrech procesoru kvůli rychlému přístupu. Pro detekci proměnných, jejichž platnosti se vzájemně překrývají (existují nějakou dobu současně), je vytvořen graf, ve kterém uzly představují proměnné a hrany označují překrývání platností. Uzly tohoto grafu jsou poté obarveny nějakým algoritmem, přičemž počet použitých barev odpovídá počtu registrů. Pokud algoritmus barvení selže, je jedna proměnná odstraněna z grafu, přemístěna do operační paměti a algoritmus zopakován.

Výběr instrukcí

U mnoha procesorových architektur, obzvláště CISC a takových, které umožňují mnoho adresových módů, je obvykle možné požadovanou operaci provést různými sekvencemi instrukcí. Generátor kódu se pak snaží vybrat pro každý operátor tyto instrukce co nejvhodněji v závislosti na požadavcích (rychlost, velikost…).

Plánování instrukcí

Plánování instrukcí je důležité pro jejich správné zřetězení a efektivní využití pipeline procesoru, kde poté nevznikají prázdná místa. Toho je docíleno shlukováním instrukcí, které nejsou vzájemně závislé, přičemž vždy ale musí být dodržena sémantika původního kódu.

Opakovaný výpočet

Někdy může být opakovaný výpočet nějaké hodnoty efektivnějším způsobem, než její načtení z operační paměti. Tohoto způsobu se využívá pro omezení přenášení proměnných z registrů do paměti.

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Compiler optimization na anglické Wikipedii.

• Stránka Paula Hsiehe o optimalizaci, má příklady některých zmíněných optimalizací v C kódu, anglicky