Оптимизация циклов

Циклом в программе называется любая последовательность участков программы, которая может выполняться повторно.

Циклы присущи подавляющему большинству программ. Bo многих программах есть циклы, выполняемые многократно. Большинство языков программирования имеют синтаксические конструкции, специально ориентированные на организацию циклов. Очевидно, такие циклы легко обнаруживаются на этапе синтаксического разбора.

Однако понятие цикла с точки зрения объектной программы, определенной выше, является более общим. Оно включает в себя не только циклы, явно описанные

в синтаксисе языка. Циклы могут быть организованы в исходной программе с помощью любых конструкций, допускающих передачу управления (прежде всего, с помощью условных операторов и операторов безусловного перехода). Для результирующей объектной программы не имеет значения, с помощью каких конструкций организован цикл в исходной программе.

Чтобы обнаружить все циклы в исходной программе, используются методы, основанные на построении графа управления программы [6, т. 2].

Циклы обычно содержат в себе один или несколько линейных участков, где производятся вычисления. Поэтому методы оптимизации линейных участков позволяют повысить также и эффективность выполнения циклов, причем они оказываются тем более эффективными, чем больше кратность выполнения цикла. Ho есть методы оптимизации программ, специально ориентированные на оптимизацию циклов.

Для оптимизации циклов используются следующие методы:

--- вынесение инвариантных вычислений из циклов;

--- замена операций с индуктивными переменными;

--- слияние и развертывание циклов.

Вынесение инвариантных вычислений из циклов заключается в вынесении за пределы циклов тех операций, операнды которых не изменяются в процессе выполнения цикла. Очевидно, что такие операции могут быть выполнены один раз до начала цикла, а полученные результаты потом могут использоваться в теле цикла.

Например, цикл¹

если значения B и C не изменяются нигде в теле цикла. При этом операция умножения B*C будет выполнена только один раз, в то время как в первом варианте она выполнялась 10 раз над одними и теми же результатами.

¹ Конечно, во внутреннем представлении компилятора циклы не могут быть записаны в таком виде, но для наглядности здесь мы их будем представлять в синтаксической записи входного языка (в данном случае — языка Pascal, как и во всех примерах далее). Ha суть выполняемых операций оптимизации это никак не влияет.

Неизменность операндов в теле цикла может оказаться не столь очевидной. Отсутствие присвоения значений переменным не может служить достоверным признаком их неизменности. B общем случае компилятору придется принимать во внимание все операции, которые так или иначе могут повлиять на инвариантность переменных. Такими операциями являются операции над указателями, вызовы функций (даже если сами переменные не передаются в функцию в качестве параметров, она может изменять их значения через «побочные эффекты»). Поскольку невозможно отследить все изменения указателей (адресов) и все «побочные эффекты» на этапе компиляции, компилятор вынужден отказаться от вынесения из цикла инвариантных переменных всякий раз, когда в теле цикла появляются «подозрительные» операции, которые могут поставить под сомнение инвариантность той или иной переменной.

Замена операций с индуктивными переменными заключается в изменении сложных операций с индуктивными переменными в теле цикла на более простые операции. Как правило, выполняется замена умножения на сложение.

Переменная называется индуктивной в цикле, если ее значения в процессе выполнения цикла образуют арифметическую прогрессию. Таких переменных в цикле может быть несколько, тогда в теле цикла их иногда можно заменить на одну единственную переменную, а реальные значения для каждой переменной будут вычисляться с помощью соответствующих коэффициентов соотношения (за пределами цикла значения всем переменным должны быть присвоены, если, конечно, они используются).

Простейшей индуктивной переменной является переменная-счетчик цикла с перечислением значений (цикл типа for, который встречается в синтаксисе многих современных языков программирования). Более сложные случаи присутствия индуктивных переменных в цикле требуют специального анализа тела цикла. He всегда выявление таких переменных является тривиальной задачей.

После того как индуктивные переменные выявлены, необходимо проанализировать те операции в теле цикла, где они используются. Часть таких операций может быть упрощена. Как правило, речь идет о замене умножения на сложение [6, т. 2, 82].

Например, цикл

Здесь использован синтаксис языка Pascal, a T — это некоторая новая временная переменная (использовать для той же цели уже существующую переменную S не вполне корректно, так как ее значение может быть использовано и после завершения этого цикла). B итоге удалось отказаться от выполнения N операций ум-

ножения, заменив их на N операций сложения (которые обычно выполняются быстрее). Индуктивной переменной в первом варианте цикла являлась i, а во втором варианте — i и T.

B другом примере

две индуктивных переменных — i и S. Если заменить их на одну, то выяснится, что переменная i вовсе не имеет смысла, тогда этот цикл можно заменить на последовательность операций

Здесь удалось исключить N операций сложения для переменной i за счет добавления новой временной переменной M (как и в предыдущем примере, использован синтаксис языка Pascal).

B современных реальных компиляторах такие преобразования используются достаточно редко, поскольку они требуют достаточно сложного анализа программы, в то время как достигаемый выигрыш невелик — разница в скорости выполнения сложения и умножения, равно как и многих других операций, в современных вычислительных системах не столь существенна. Кроме того, существуют варианты циклов, для которых эффективность указанных методов преобразования является спорной [6, т. 2].

Слияние и развертывание циклов предусматривает два различных варианта преобразований: слияния двух вложенных циклов в один и замена цикла на линейную последовательность операций.

Слияние двух циклов можно проиллюстрировать на примере циклов

Здесь происходит инициализация двумерного массива. Ho в объектном коде двумерный массив — это всего лишь область памяти размером N*M, поэтому (с точки зрения объектного кода, но не входного языка!) эту операцию можно представить так:

Развертывание циклов можно выполнить для циклов, кратность выполнения которых известна уже на этапе компиляции. Тогда цикл, кратностью N, можно заменить на линейную последовательность N операций, содержащих тело цикла.

Например, цикл