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]
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.
- 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]
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.
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 += 5)
{
delete(x);
delete(++x);
delete(++x);
delete(++x);
delete(++x);
}
|
| 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.
- ↑ 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.
- ↑ Petersen, W.P., Arbenz, P. (2004). Introduction to Parallel Computing. Oxford University Press. с. 10.
- ↑ Nicolau, Alexandru (1985). Loop Quantization: Unwinding for Fine-Grain Parallelism Exploitation. Dept. of Computer Science Technical Report. Ithaca, NY: Cornell University. OCLC 14638257.
- ↑ Sarkar, Vivek (2001). Optimized Unrolling of Nested Loops. International Journal of Parallel Programming. 29 (5): 545—581. doi:10.1023/A:1012246031671.[недоступне посилання]
 | Ця стаття потребує додаткових посилань на джерела для поліпшення її перевірності. |