Реферат: Оптимизация программ

Реферат: Оптимизация программ

 Содержание

1.Назначение и цели оптимизации

2.Промежуточный язык

3.Элементы топологии программы

3.1. Блок (линейный участок)

3.2. Сильно связанная область

4.Способы оптимизации

4.1. Разгрузка участков повторяемости

4.1.1 Сдвиг инвариантных операторов

4.1.2. Сокращение глубины операции

4.2. Упрощение действий

4.2.1. Удаление индуктивных переменных и выражений

4.2.2. Замена сложных операций на более простые

4.2.3. Исключение избыточных выражений

4.2.4. Прочие преобразования

4.3. Реализация действий

4.3.1. Подстановка (свертка)

4.4. Чистка программы

4.4.1. Устранение идентичных операторов

4.4.2. Замена переменных в операторах условного перехо­да и устранение неиспользуемых определений

4.4.3 Устранение бесполезных операторов и переменных

4.5. Экономия памяти

4.6. Сокращение программы

4.7. Вставка псевдоблока

5.Последовательность применения оптимизирующих преобразова­ний

1. Назначение и цели оптимизации

Всегда желательно иметь компилятор, который создает эф­фективно работающие объектные программы. Как правило, програм­ма в кодах машины, полученная в результате трансляции, будет занимать больший объем памяти и работать медленнее, чем такая же программа, написанная опытным программистом. Термин "опти­мизация" применяется к попыткам сделать выходные программы бо­лее "эффективными", т.е. быстрее работающими или более ком­пактными. Таким образом, оптимизацией называется улучшение вы­ходной программы, а часть транслятора, выполняющая эту функцию

- оптимизирующей частью транслятора.

Оптимизирующая часть                 транслятора   выполняет   следующие

действия:

1. Устраняет недостатки программы,вызванные небрежностью или низкой квалификацией программиста. Примером может служить вынесение из цикла операторов, не зависящих от управляющих пе­ременных цикла, что приведет к сокращению времени выполнения программы, поскольку вынесенные операторы будут выполняться только один раз, а не многократно.

2. Устраняет излишние вычисления, неизбежно возникающие в процессе трансляции даже при самом тщательном написании прог­раммы на языке высокого уровня. Например, устранение повторно­го вычисления индексных выражений для элементов массива сокра­щает время выполнения программы и ее длину.

2. Промежуточный язык

Для повышения эффективности программы можно произвести над ней последовательность преобразований в различные моменты процесса компиляции. Например, можно оперировать с входной программой, со структурами, порождаемыми на стадии синтакси­ческого анализа, с кодом, порождаемым в качестве выхода фазы генерации кода. Однако оптимизировать программу, уже прот­ранслированную в коды машины, трудно по следующим причинам:

во-первых, единицы действия программы в кодах команд слишком мелки, что уже само по себе затрудняет анализ,

во-вторых, при трансляции входной программы в коды машины возможна потеря имеющейся в ней информации. Например, засылка промежуточных результатов в разные рабочие ячейки памяти дела­ет практически невозможной идентификацию одинаковых частей программы;

в-третьих из-за нестандартности форматов различных эле­ментов языка и рекурсивных конструкций, широко применяемых в текстах программ.

Поэтому,если транслятор производит оптимизацию программы, необходимо делать специальный проход, переводящий программу с исходного языка на промежуточный.

Строго сформулировать требования, предъявляемые к проме­жуточному языку, трудно. Однако уже из самого обоснования не­обходимости промежуточного языка видно, что:

а) операторы языка не должны быть слишком мелкими;

б) символы, идентификаторы и числа должны иметь фиксиро­ванный формат;

в) в строении операторов желательно отсутствие рекур­сивности;

г) должна сохраняться вся информация, необходимая для оптимизации, которая есть во входном языке;

д) язык должен быть приспособлен к выполнению оптимизи­рующих преобразований и удобен для последующей трансляции в коды вычислительной машины.

Требования пп. "г" и "д" показывают, что разработать еди­ный универсальный промежуточный язык для трансляции с любого языка программирования в коды любой вычислительной машины трудно. В качестве промежуточного языка можно использовать польскую запись, тетрады, триады, синтаксические деревья.

При рассмотрении вопросов оптимизации будем считать, что программа протранслирована с входного на некоторый промежуточ­ный язык, оператор которого имеет следующий общий вид:

(mi) код операции  аргументы оператора,

где mi - указатель оператора, а также идентификатор ре­зультата команды при отсутствии его присваивания некоторой пе­ременной.

Необходимо различать переменные, введенные программистом (программные переменные),и переменные, генерируемые в процессе

трансляции на промежуточный язык (mi - идентификаторы).  Между

определением программной переменной и ее использованием в ка­честве операнда существует следующая зависимость:

- если программная переменная, используемая в области, не определена в ней, то предполагается, что она определена во всех путях, ведущих к области;

- если программная переменная определена и используется в области, то внутри области существует путь между определением переменной и каждым ее использованием;

- если программная переменная определена в области, то, вообще говоря, это не значит, что она определена на каждом вы­ходном пути.

Помимо программы на промежуточном языке, состоящей из последовательности операторов, для проведения оптимизации фор­мируются следующие таблицы:

1. Таблицы идентификаторов и констант с обычной информацией о переменных и константах.

2. Таблица блоков, определяющая  номера блоков (блоки нуме-

руются в произвольном порядке), их границы, непосредст­венно предшествующие и следующие блоки, а также любую информацию о частоте повторения блока.

3. Таблица последовательности операторов, определяющая ли­нейную последовательность операторов в блоке. Она содер­жит последовательность указателей операторов mi. Эта таблица необходима, поскольку один указатель может при­надлежать нескольким операторам.

3.Элементы топологии программы

3.1. Блок (линейный участок)

Вопросы оптимизации обычно связаны с топологией програм­мы, т.е. со способом ее построения. Для того, чтобы локализо­вать процессы оптимизации и не связывать их с конкретным вход­ным языком, они проводятся внутри отдельных участков програм­мы, называемых блоками и сильно связанными областями.

Блок (линейный участок) - выполняемая по порядку последо­вательность операторов, имеющая единственную точку входа - первый оператор с меткой, на который может быть передано уп­равление, и единственную точку выхода - последний оператор.

Блок моделирует часть программы на промежуточном языке, которая содержит операторы присваивания.

Формально модель линейного участка может быть представле­на следующим образом:

блок B - это тройка вида (P,I,U),где

(1) P - список операторов S1,S2,...Sn (n>=0),

(2) I - множество входных переменных,

(3) U - множество выходных переменных.

При этом оператором называется цепочка (в общем случае) вида

A <--QB1...Br,

где  A,B1,...,Br - переменные,Q - операция.

Здесь оператор присваивает значение переменной А и ссыла­ется на B1,...,Br.

Если оператор Sj ссылается на А, то либо А--входная пере­менная, либо осуществлено присваивание ей значения некоторым оператором до Sj, (т. е. некоторым оператором Si,(i<j) . Таким образом, внутри ,блока все переменные, на которые ссылаются, к этому моменту определены либо внутренним образом как перемен­ные, которым присвоены значения, либо внешним как входные пе­ременные. Аналогично каждая выходная переменная либо является входной переменной, либо ей присвоено значение некоторым опе­ратором.

Оператор S в программе называется входом в линейный участок, если он либо первый оператор в программе, либо поме­чен идентификатором, появляющимся в операторе перехода, либо непосредственно следует за условным оператором.

Линейный участок, относящийся к входу в участок S, состо­ит из S и всех операторов, следующих за ним вплоть до операто­ра останова, включая его, или вплоть до входа в следующий блок.

3.2. Сильно связанная область

Для каждого блока B=(P,I,U) можно найти ориентированный ациклический граф , представляющий этот блок. При этом каждый лист графа (концевая вершина) соответствует одной входной пе­ременной в I, а каждая его внутренняя вершина - оператору из

P. Граф отражает порядок выполнения операторов программы и да­ет более наглядное представление, чем линейная последователь­ность операторов.

Если вершины i и j графа соответствуют участкам i и j программы, то дуга идет из i в j, если

1) последний оператор участка i не является ни оператором перехода, ни оператором останова, а участок j следует в программе за участком i или

2) последний оператор участка i является оператором пере­хода на метку L, которой помечен первый оператор участка j.

Сильно связанной областью направленного графа называется такое множество его вершин, что для любых двух вершин x и y (x != y) существует путь из x в y.

Будем рассматривать сильно связанные области Ri, обладаю­щие следующими свойствами:

1) Ri является сильносвязанной областью, состоящей из множества блоков, каждый из которых предшествует сам себе и следует сам за собой внутри этого множества;

2) Ri != Rj;

3) для каждого i<j или пересечение Ri и Rj пусто, или Ri является подобластью Rj (включена в нее).

4. Способы оптимизации

Различают две категории оптимизирующих преобразований: преобразования исходной программы в ее внутренней форме, кото­рые не зависят от объектного языка (машинно-независимые) и преобразования, осуществляемые на уровне объектной программы (машинно-ориентированные).

Методы первой категории применимы почти к любому алгебра­ическому языку - ФОРТРАНу, АЛГОЛу, PL/1 и.т.д.

На практике используется весьма широкий набор машинно-не­зависимых оптимизирующих преобразований, что связано с большим разнообразием неоптимальностей. К ним относятся:

- разгрузка участков повторяемости;

- упрощение действий;

- реализация действий;

- чистка программы;

- экономия памяти;

- сокращение программы.

4.1. Разгрузка участков повторяемости

Такое название получил способ оптимизации, состоящий в вынесении вычислений из многократно проводимых (исполняемых ) участков программы на участки программы , редко проходимые.

К этому виду преобразований относятся различные чистки зон, тел циклов и тел рекурсивных процедур, когда инвариантные (по результату выполнения) в соответствующих участках повторя­емости выражения, линейные компоненты (т. е. гамаки, обяза­тельно исполняемые при каждом прохождении участка повторяе­мости) выносятся из него и размещаются перед входом в участок повторяемости - чистка вверх,- или когда уничтожающие свои предыдущие результаты линейные компоненты или группы линейных компонент участка повторяемости выносятся из него и размеща­ются за выходы из участка повторяемости - чистка вниз.

При чистке вверх вынесенные вычисления образуют новый не­посредственный обязательный предшественник участка повторяе­мости, а при чистке вниз - непосредственный обязательный пре­емник участка повторяемости.

Обычно выносятся только такие выражения и линейные фраг­менты программы, которые обязательно исполняются при каждом прохождении разгружаемого участка повторяемости.

Примеры.

а) Чистка вниз преобразует цикл

для K:=1, K+1  пока K<=100

цикл

начало

X:=X*K;

если Z>0 то Y:=sin(X);

иначе A[I]:=X+2;

конец

к виду

для K:=1, K+1  пока K<=100

цикл X:=X*K;

если Z>0 то Y:=sin(X);

иначе A[I]:=X+2;

б) Чистка вверх преобразует цикл

для K:=1, K+1  пока K<=100

цикл

начало

если Z>0 то Y:=1;

иначе Y:=Z+2;

X[K]:=X[K] - Y; конец

к виду

если Z>0 то Y:=1;

иначе Y:=Z+2;

для K:=1, K+1  пока K<=100

цикл X[K]:=X[K] - Y;

Примером чистки тела рекурсивной функции может быть сле­дующий:

тело рекурсивной функции

цел функция Ф(N)

начало

целые Z,W;

W:=1;

если  X>0  то W:=Y;

если  N<=0 то Ф:=1

иначе

начало

Z:=N-W; Ф:=Z*Ф(Z) конец

конец

содержит два инвариантных гамака, в результате вынесения которых может быть получена следующая функция:

цел функция Ф(N)

начало

целое N;

цел функция F(M)

начало

целое Z;

если  M<=0  то F:=1;

иначе

начало

Z:=M-W; F:=Z*F(Z) конец

конец

W:=1;

если  X>0  то W:=Y;

Ф:=F(N); конец;

В группу разгрузок участков повторяемости также входят и различные преобразования, которые осуществляют перемещение га­мака по пути, ведущему к месту использования его результатов. При таком преобразовании в отличие от чисток гамак остается в тех же зонах, циклах и процедурах.

Например, с помощью этих преобразований фрагмент

для K:=1, K+1  пока K<=100

цикл

начало

N:=A[K];

если N>0 то переход на L; N:=N*N;

L: если Z=0 то ВЫВОД(N); конец

N:=100;

может быть преобразован к виду:

для K:=1, K+1  пока K<=100

цикл

если Z=0 то

начало

N:=A[K];

если N>0 то переход на L; N:=N*N;

L: ВЫВОД(N); конец;

N:=100;

4.1.1 Сдвиг инвариантных операторов

Рассмотрим подробнее преобразование сдвига инвариантных операторов, входящее в группу преобразований по разгрузке участков повторяемости.

Оператор инвариантен и может быть вынесен из блока, если он удовлетворяет следующим условиям:

1) сдвиг оператора не приводит к тому, что результат сдвигаемого оператора перемещается через оператор, в котором результат используется.

Например, для блока

(mi) * A,B

.

.

.

(mk) := C,(mi)

если ни A, ни B не определяются в области, то оператор mi может быть сдвинут вниз, но не может быть поставлен после опе­ратора mk.

2) сдвиг оператора не приводит к тому, что между опреде­лением переменной и ее использованием в качестве операнда по­является новый оператор, присваивающий этой переменной другое значение. Например, для блока

(mi) := A,1

.

.

(mj) := A,10

.

.

(mk) := C,A

если больше никакой оператор после mj не присваивает зна­чение переменной A, то оператор mj может быть сдвинут вниз, но не может быть поставлен после оператора mk, операторами mi, а также вверх, но не выше оператора, использующего значение пе­ременной A, присвоенное оператором mi.

3) сдвиг оператора не нарушает связи между сдвигаемым оператором и оператором, использующим результат сдвигаемого в качестве операнда.

Таким образом, оператор инвариантен в области, если его операнды не зависят от места определения переменных в данной области.

Как уже отмечалось, сдвиг инвариантного оператора из тела цикла сокращает время выполнения программы. Особенность рассматриваемого метода заключается в том, что оператор сдви­гается из блока во всех случаях, когда он может быть сдвинут независимо от того, находится он внутри цикла или нет. Ухудше­ние программы произойти не может.

Необходимо также отметить, что перед сдвигом инвариантных операторов нужно устранить идентичные операторы (об этом речь пойдет позже), так как они могут оказаться препятствием для

сдвига операторов.

Рассмотрим условия, достаточные для сдвига операторов

I. Сдвиг оператора, не являющегося оператором присваива­ния, из области назад (на его входные пути) производится, если операнды оператора не зависят от места определения переменных в области, т.е.:

1) mi - идентификаторы, используемые в качестве аргумента оператора, не определены в блоке ни одним предшествующим опе­ратором;

2) программные переменные оператора не определены в об­ласти.

Если оба эти условия выполняются, то операнды оператора не зависят от места определения переменных в области.

II. Сдвиг оператора присваивания, из области назад (на его входные пути) производится, если:

1) mi - идентификаторы, используемые в качестве аргумента оператора, не определены в блоке ни одним предшествующим опе­ратором;

Страницы: 1, 2