Розмотування циклу

Розмотування циклу (англ. loop unrolling, loop unwinding) — спосіб, в який намагаються оптимізувати швидкодію програми за рахунок розміру двійкового файлу. Зміни в програмі може робити програміст або оптимізувальний компілятор.

Метою розмотування циклу є збільшення швидкодії програми шляхом зменшення (або виключення) інструкцій контролю за циклом, таких як арифметика вказівників і перевірка на завершення циклу на кожній ітерації[1], зменшення витрат на галуження, а також «приховування латентності, особливо, затримку в читанні даних з пам'яті»[2]. Цикли можуть бути перезаписані як послідовності подібних незалежних інструкцій, і таким чином можуть бути усунені накладні витрати обчислення.[3]

Переваги

Витрати в «строгих» циклах часто містять інструкції збільшення вказівника або перехід на наступний елемент у масиві (арифметика вказівників), а також перевірка завершення циклу. Якщо оптимізувальний компілятор або асемблер у стані преобчислити зсув для кожної індивідуально вказаної змінної масиву, вони можуть бути вбудовані в машинний код напряму, отже не потрібно додаткових арифметичних дій під час виконання (зауважте, що в прикладі поданому нижче так не відбувається).

  • Значну користь можна отримати, якщо покращення в виконанні інструкцій з лишком компенсує будь-яке зменшення швидкодії спричинене збільшенням розміру програми;
  • витрати на галуження мінімізовані;
  • якщо операції в циклі незалежні одна від одної (тобто коли операція, що зустрічається раніше в циклі, не впливає на наступні операції), операції можуть потенційно виконуватись паралельно;
  • може бути реалізоване динамічно, якщо кількість елементів масиву невідома під час компіляції.

Оптимізувальні компілятори іноді можуть виконувати розмотування циклу автоматично або за запитом.

Недоліки
  • Розмір програми в результаті розмотування збільшується, що небажано, особливо для вбудованих застосунків;
  • збільшення коду також може призвести до збільшення промахів кешу, що негативно впливає на швидкодію;
  • якщо тільки розмотування не виконується компілятором, код може стати менш зрозумілим;
  • якщо код в тілі циклу містить виклики функцій, може бути неможливим поєднати розмотування з інлайнингом, бо збільшення розміру може стати надмірним. Тож треба шукати компроміс між двома оптимізаціями.
  • можливе збільшення використання регістрів в кожній ітерації для збереження тимчасових змінних, що може зменшити швидкодію (хоча багато залежить від можливих оптимізацій).[4]

Статичне / Ручне розмотування циклу

Ручне (або статичне) розмотування циклу вимагає від програміста розбору циклу і перетворення ітерацій як послідовність інструкцій, які зменшать накладні витрати циклу. Динамічне розмотування виконується компілятором.

Простий приклад ручного розмотування в Сі

Підпрограма видаляє 100 елементів з колекції.

Звичайний цикл Після розмотування
 int x;
 for (x = 0; x < 100; x++)
 {
     delete(x);
 }
 //.
 //.
 //.
 //.

 int x; 
 for (x = 0; x < 100; x++)
 {
     delete(x);
     delete(++x);
     delete(++x);
     delete(++x);
     delete(++x);
 }

Розмотування WHILE циклів
Звичайний цикл Після розмотування Розмотаний цикл із «вивертом»
  WHILE (condition) DO
         action
  ENDWHILE
.
.
.
.
.
.

  WHILE (condition) DO
         action
         IF NOT(condition) THEN GOTO break
         action
         IF NOT(condition) THEN GOTO break
         action
 ENDWHILE
 LABEL break:
.

 IF (condition) THEN
  REPEAT {
         action
         IF NOT(condition) THEN GOTO break
         action
         IF NOT(condition) THEN GOTO break
          action
         } WHILE (condition)
 LABEL break:

Розмотаний швидше, бо ENDWHILE (який буде скомпільований в перехід на початок циклу) буде виконуватись на 66 % менш часто.

Навіть краще, приклад із «вивертом», який може бути виконаний деякими оптимізувальними компіляторами автоматично, виключає всі безумовні переходи.

Примітки
  1. Ullman, Jeffrey D.; Aho, Alfred V. (1977). Principles of compiler design. Reading, Mass: Addison-Wesley Pub. Co. с. 471–2. ISBN 0-201-10073-8.
  2. Petersen, W.P., Arbenz, P. (2004). Introduction to Parallel Computing. Oxford University Press. с. 10.
  3. Nicolau, Alexandru (1985). Loop Quantization: Unwinding for Fine-Grain Parallelism Exploitation. Dept. of Computer Science Technical Report. Ithaca, NY: Cornell University. OCLC 14638257.
  4. Sarkar, Vivek (2001). Optimized Unrolling of Nested Loops. International Journal of Parallel Programming 29 (5): 545–581. doi:10.1023/A:1012246031671.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.