Otimiza

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Otimizações Parte 1

• André José Diniz Barboza
• Edmo Sérgio Ribeiro Bezerra
• Prof. André Santos

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Estrutura da Apresentação

• Introdução
• Conjunto de Otimizações
• Otimizações Locais
• Oportunidades de Otimização
• Algoritmo DAG
• Referências

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Introdução

• Um Otimizador é um programa que recebe como
  entrada outro programa P e gera um programa P
  equivalente que é melhor segundo um critério de
  avaliação.
• Geralmente, é fácil fazer uma otimização em um
  programa, difícil é obter informação necessária
  para aplicar a otimização sem alterar o
  funcionamento do programa original.

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Introdução

• Ex. Considere o trecho de programa, e as opções
  para sua melhora sem alterar seu funcionamento
• x a b
• Este programa pode ser melhorado (ficar mais
  rápido e menor) se o comando for retirado!

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Introdução

• Mas, o comando só pode ser removido se alguma
  das seguintes condições forem satisfeitas
• Condição 1 o comando nunca é executado.
• if (0) x a b
• Condição 2 o comando é inútil
• x a b
• x a b

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Introdução

• Condição 3 comando inútil porque comandos
  posteriores não usaram valor de x.
• int funcao (int z)
• int x
• ....
• x a b

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Introdução

• O exemplo mostra que não é pratico otimizar um
  programa eliminando apenas seus comandos.
• As condições de cada eliminação dependem do
  comando, da posição e, de certa maneira, dos
  comandos restantes do programa.
• Portanto, para se construir um otimizador de
  utilidade prática deve-se identificar
  oportunidades que sejam produtivas em situações
  coerentes.

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Introdução

• Um outro exemplo
• for ( int i0 iltN i)
• a j5
• f(ai)
• Se n 100, o comando a j5 poderia ser retirado
  do laço e 100 somas deixariam de ser executadas.
• Porém, se n0, o programa foi pessimizado,
  porque o comando aj5 que não seria executado,
  passa a ser executado uma vez.

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Conjunto de otimizações

• Depende muito da finalidade do compilador o
  conjunto de otimizações que ele deve oferecer
• Deve ser considerada a quantidade de informação
  que deve ser manipulada. Pode-se observar
• - Otimizações Locais
• - Otimizações Intermediárias
• - Otimizações Globais
• A maioria dos compiladores oferece otimizações do
  primeiro tipo combinadas com a fase de geração de
  código.

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Conjunto de Otimizações

• Otimizações Locais
• trechos pequenos de programas, por exemplo,
  trechos sem desvios, basic blocks.
• Otimizações intermediárias
• otimizações consideradas apenas dentro de
  módulos, funções, ou classes.
• Otimizações globais
• consideram inter-relações entre todas as partes
  do programa.

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Conjunto de Otimizações

• A maneira de tratar otimizações pode ser
  extremamente pragmática.
• Ex. em um programa grande, 90 de sua execução
  está concentrada em 10 do código.
• Estes 10 de código correspondem, geralmente, ao
  loop mais interno do programa.
• Uso de ferramenta profilers permite
  identificar trechos mais executados e concentrar
  a otimização neles.
• Por esta razão, muito do trabalho no
  desenvolvimento de técnicas de otimização é
  voltado para otimizações locais.

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Otimizações Locais

• Então, o que seria um bloco básico?
• Primeiro comando inicia um bloco básico
• Qualquer comando com label, ou que de alguma
  forma seja alvo de um comando de desvio inicia um
  novo bloco básico
• Qualquer comando de desvio termina um bloco
  básico
• Ou seja, blocos básicos são trechos de programas
  cujas instruções são executadas sempre
  sequencialmente.

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Otimizações Locais
1
2
Bloco básico
3
IF
5
7
6
8
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Otimizações Locais

• Várias técnicas de otimização se aplicam para
  blocos básicos, podendo ser realizada em três
  ocasiões
• 1. Na representação intermediária
• 2. Durante o processo de geração de código
• 3. Após a geração de código diretamente no
  objeto

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Otimizações Locais

• Otimização não faz milagres!!!
• Em particular, a otimização não altera a
  complexidade dos algoritmos, ela altera apenas as
  constantes multiplicativas.
• Se existe para um problemas um algoritmo
  ?(nlogn), não espere que em um programa no qual
  foi usado um algoritmo ?(n2) se transforme
  durante sua otimização no algoritmo ?(nlogn).

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Oportunidades de Otimização

• Eliminação de sub-expressões comuns
• Eliminação de código morto
• Renomeação de variáveis temporárias
• Transformações algébricas
• Dobramento de constantes
• Redução de força
• Otimização de loops

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Oportunidades de Otimização

• Eliminação de sub-expressões comuns
• Ocorre quando a mesma expressão (possivelmente
  uma sub-expressão de outra expressão maior)
  aparece mais de uma vez em um trecho de programa.
  
• Se as variáveis que ocorrem na expressão não tem
  seus valores alterados entre as duas ocorrências,
  é possível calcular seu valor apenas uma vez.

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Oportunidades de Otimização

• Eliminação de sub-expressões comuns
• ... xab
• ... yab ...
• Se os valores de a e de b não são alterados, é
  possível guardar o valor da expressão ab em uma
  variável temporária.
• ... t1ab
• xt1
• ... yt1 ...

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Oportunidades de Otimização

• ou, se a variável x ainda está disponível com o
  mesmo valor da segunda vez que a expressão é
  calculada,
• ... xab
• ... yx ...
• dispensando o uso da variável temporária t1.
• Obs. Note que, para garantir que os valores de
  a, b não se alteram, é preciso examinar todos os
  comandos que podem ocorrer entre as duas
  avaliações da expressão.

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Oportunidades de Otimização

• Eliminação de código morto
• Ocorre quando um programa contém código que não
  pode ser alcançado durante a sua execução, logo
  este trecho inatingível pode ser eliminado.

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Oportunidades de Otimização

• Eliminação de código morto
• Ocorre após uma instrução de encerramento de um
  programa ou de uma função.
• int f(int x)
• return x
• Ocorre após um teste com uma condição impossível
  de ser satisfeita.
• if (0) x

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Oportunidades de Otimização

• Eliminação de código morto
• Ocorre após um comando de desvio que e não é alvo
  de nenhum outro desvio.
• goto x
• i3
• ...
• x ...

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Oportunidades de Otimização

• Renomeação de variáveis temporárias
• Ocorre quando as variáveis temporárias
  introduzidas durante a geração de código
  intermediário não são estritamente necessárias.
• Normalmente, este controle é feito dando outros
  nomes para as variáveis que vão guardar os
  valores temporários.

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Oportunidades de Otimização
Renomeação de variáveis temporárias

• Código-fonte
• xab
• xt1
• y(ab)c
• zd(ab)

Código Intermediário(1) t1ab xt1 t2a
b t3t2c yt3 t4ab t5dt4 zt5
Código Intermediário(2) t1ab xt1 t2t1
t3t2c yt3 t4t1 t5dt4 zt5
Código Intermediário(3) xab yxc z
dx
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Oportunidades de Otimização

• Renomeação de variáveis temporárias
• Pode acontecer que uma variável temporária possa
  ser re-usada após uma ocorrência anterior. Isto é
  feito mudando os nomes de algumas ocorrências
  dessas variáveis.

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Oportunidades de Otimização
Renomeação de variáveis temporárias

• Código-fonte
• x(ab)(cd)
• y(ef)(gh)

Código Intermediário t1ab t2cd t3t1
t2 xt3 t4ef t5gh t6t4t5 yt5

Código Intermediário t1ab t2cd xt1t
2 t1ef t2gh yt1t2
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Oportunidades de Otimização

• Transformações algébricas
• Podemos aplicar algumas transformações baseadas
  em propriedades algébricas, como comutatividade,
  associatividade, identidade, etc.

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Oportunidades de Otimização

• Transformações algébricas
• exemplo, como a soma é comutativa, podemos
  transformar xabc em xbca o que
  corresponde a trocar código como
• Load b
• Mult c
• Store t1
• Load a
• Add t1
• Store x
• que dispensa a temporária t1, e as instruções
  que a manipulam.

Load b Mult c Add a Store x
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Oportunidades de Otimização

• Transformações algébricas
• Só devem ser utilizadas com autorização
  explícita do usuário uma vez que algumas destas
  transformações podem criar problemas para a
  convergência ou a estabilidade em relação a erros
  de arredondamento dos programas.

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Oportunidades de Otimização

• Dobramento de constantes
• Expressões ou sub-expressões compostas de
  valores constantes podem ser avaliadas em tempo
  de compilação (dobradas), evitando sua avaliação
  repetida em tempo de execução.

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Oportunidades de Otimização

• Dobramento de constantes
• exemplo
• define N 100
• ...
• while (iltN-1) ...
• não há necessidade de se fazer repetidamente o
  cálculo para o valor de N-1. Este valor pode ser
  pré-calculado,e substituído por 99.

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Oportunidades de Otimização

• Dobramento de constantes
• Podem existir problemas de portabilidade.
• Máquina alvo é diferente da máquina de
  compilação.
• Neste caso, avaliação é realizada uma única vez
  logo no início da execução do programa.

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Oportunidades de Otimização

• Redução de Força
• Há vários casos em que operações mais caras
  podem ser substituídas por operações mais baratas.

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Oportunidades de Otimização

• Redução de Força
• Cálculo de comprimento da concatenação de duas
  cadeias.
• strlen(strcat(s1, s2)) strlen(s1)
  strlen(s2)
• Cálculo do quadrado de um número.
• pow(x, 2) e 2.0ln x

xx
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Oportunidades de Otimização

• Otimização de loop
• Há várias otimizações que se aplicam a loops. a
  mais comum é a transferência de invariantes do
  loop para fora dele. Pórem é necessário
  verificar
• Se a expressão é composta apenas de constantes,
  ou de variáveis cujos valores não são alterados
  dentro do loop.
• Nenhum uso da expressão, dentro ou fora do loop
  deve ter acesso a um valor de x diferente do
  valor a que tinha acesso antes do original.

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Referências

• Alfred V. Aho, Ravi Sethi, Jeffrey D. Ulmann,
  Compilers Principles, Techniques and Tools,
• Steven S. Muchnick, Advanced Compiler Design
  Implementation
• J. L. Rangel, Otimização de Código
• Compiler Switches Optimization http//www.astro.uu
  .se/bf/cobold/node9.html
• http//citeseer.nj.nec.com/Programming/CompilerOpt
  imization/