um estudo sobre possíveis técnicas de otimização de código para bytecode lua alex de magalhães...

Um estudo sobre possíveis técnicas de otimização de código para bytecode Lua

Alex de Magalhães Machado

Orientador: Prof. Dr. Olinto José Varela Furtado

Banca Examinadora: Prof. Dr. Ricardo Azambuja Silveira

Prof. José Eduardo De Lucca

Outubro 2009

O que são otimizações de código e por que realizá-las?

O que são otimizações de código e por que realizá-las?

Alterar sintaticamente o código de um programa, mantendo sua semântica, de forma a melhorar

algum aspecto desse programa.

O que são otimizações de código e por que realizá-las?

O compilador hoje em dia deve ser capaz de realizar pelo menos as principais otimizações de

código.

O que são otimizações de código e por que realizá-las?

Pior caso: 20% mais rápido.Melhor caso: 65% mais rápido.

Programa C sem otimização

Programa C otimizado

Tempo de execução 100 ~ 130 ms 45 ~ 80 ms

Tamanho do código ~60 KB ~90 KB

O que são otimizações de código e por que realizá-las?

Como é a linguagem Lua? O que é um bytecode Lua?

•de Script•Imperativa•Máquina virtual•Multiparadigma

•Leve•Simples•Rápida•Dinâmica

Como é a linguagem Lua? O que é um bytecode Lua?

Como é a linguagem Lua? O que é um bytecode Lua?

•Simplicidade•Eficiência•Portabilidade•Programas embarcáveis, com baixo custo

Como é a linguagem Lua? O que é um bytecode Lua?

Mesma expressão sendo calculada em dois pontos no programa, sendo que o valor das variáveis

envolvidas continua o mesmo.

Eliminação de subexpressões comuns

Mesma expressão sendo calculada em dois pontos no programa, sendo que o valor das variáveis

envolvidas continua o mesmo.

Eliminação de subexpressões comuns

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

e = 4 * PI;f = raio * raio;area = e * f;

Mesma expressão sendo calculada em dois pontos no programa, sendo que o valor das variáveis

envolvidas continua o mesmo.

Eliminação de subexpressões comuns

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

e = a;f = c;area = e * f;

Valores sendo copiados de uma variável para outra. Cópias costumam ser criadas durante

outras otimizações.

Propagação de Cópia

Valores sendo copiados de uma variável para outra. Cópias costumam ser criadas durante

outras otimizações.

Propagação de Cópia

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

e = a;f = c;area = e * f;

Valores sendo copiados de uma variável para outra. Cópias costumam ser criadas durante

outras otimizações.

Propagação de Cópia

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

e = a;f = c;area = a * c;

Um código estará morto quando ele não possuir utilidade, e sua remoção não alterar em nada a

semântica do programa.

Eliminação de código morto

Um código estará morto quando ele não possuir utilidade, e sua remoção não alterar em nada a

semântica do programa.

Eliminação de código morto

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

e = a;f = c;area = a * c;

Um código estará morto quando ele não possuir utilidade, e sua remoção não alterar em nada a

semântica do programa.

Eliminação de código morto

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

area = a * c;

Cálculo de uma expressão é constante.

Desdobramento de constante

Cálculo de uma expressão é constante.

Desdobramento de constante

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 4 * PI;b = a / 3;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

area = a * c;

Cálculo de uma expressão é constante.

Desdobramento de constante

V = 4/3 * PI * r³ A = 4 * PI * r²

a = 12.5663706;b = 4.1887902;c = raio * raio;d = c * raio;volume = b * d;

area = a * c;

Tirar de laços internos instruções invariantes do laço.

Movimentação de código

Variáveis de indução e redução de força

Otimizar o cálculo de variáveis de indução, realizando redução de força, entre outras

técnicas.

Prós:

Muitas oportunidades de implementaçãoMáquina virtual baseada em registradoresApenas 38 instruções

Contras:

Cada nova versão da linguagem a máquina virtual pode sofrer alteraçõesNova versão é lançada a cada 3 anos, e a última versão foi lançada há 3 anos

Atual situação da linguagem:

Otimizações já realizadas:◦Desdobramento de constante◦Eliminação de código morto

Características do otimizador:

Linguagem de desenvolvimento CAprox. 3500 linhas de código25 ~ 35 ms no mínimo80 ~ 100 ms para otimizar 200 linhas de código190 ~ 220 ms para otimizar 1000 linhas de códigoOtimizações já implementadas:

◦Eliminação de subexpressões comuns◦Propagação de cópia◦Eliminação de código morto

Otimizando código pré-compilado:

Otimizando código pré-compilado:

Otimizador de código não prejudica desempenho do programa, pois as otimizações são realizadas “off-line”.

Análise de Fluxo de Dados

Percorrer o programa fonte e coletar informações a respeito do seu funcionamentoCódigo dividido em blocos básicos e observado

if (exp){//Bloco básico x

}else{//Bloco básico y

}//Bloco básico z

Análise de Fluxo de Dados

Cada bloco básico tem um conjunto IN e um conjunto OUT, os quais guardarão as informações coletadas em cada análise de fluxo de dados.

Definições de Alcance

Definição: Qualquer atribuição de uma variávelAnálise determina quais definições alcançam cada ponto no programa

Definições de Alcance

Definição: Qualquer atribuição de uma variávelAnálise determina quais definições alcançam cada ponto no programa

Expressões Disponíveis

Uma expressão ‘e’ está disponível num ponto ‘p’ qualquer se ela for calculada em todos os pontos predecessores e ainda estiver viva.

if (exp){j = a + b;

}else{k = a + b;

}//Expressão ‘a + b’ está disponível aqui.

Expressões Disponíveis

Uma expressão ‘e’ está disponível num ponto ‘p’ qualquer se ela for calculada em todos os pontos predecessores e ainda estiver viva.

if (exp){j = a + b;

}else{k = a + c;

}//Nem ‘a + b’ e nem ‘a + c’ estão disponíveis aqui.

Expressões Disponíveis

Uma expressão ‘e’ está disponível num ponto ‘p’ qualquer se ela for calculada em todos os pontos predecessores e ainda estiver viva.

Quais otimizações implementar?

Desdobramento de constante e eliminação de código morto já são realizados na linguagemEliminação de subexpressões comuns e propagação de cópia são úteis em conjuntoAmbas geram código morto

Otimizações implementadas

Eliminação de subexpressões comunsPropagação de cópiaEliminação de código morto gerado acima

Eliminação de Subexpressão Comum

Verifica se alguma expressão está no conjunto IN e no conjunto e_gen de algum bloco básico

Eliminação de Subexpressão Comum

Eliminação de Subexpressão Comum

Propagação de Cópia

Eliminação de subexpressão comum gera instruções de cópia que podem ser propagadasPercorre-se o código procurando instruções de cópia

Propagação de Cópia

Para cada cópia encontrada, tenta-se propagá-la o mais longe possível no grafo de fluxoSe foi possível propagá-la até o fim do grafo, então a cópia teoricamente pode ser removida

Eliminação de código morto (cópias inúteis)

Eliminação de subexpressão comum gera instruções de cópia que geralmente podem ser removidasPorém, algumas instruções de cópia não podem ser removidas.

Eliminação de código morto (cópias inúteis)

Instruções como a instrução CALL utilizam cópias para organizar os parâmetros de função, por exemplo.No total, 6 instruções da LVM precisam que certos valores estejam em registradores específicos

Eliminação de código morto (cópias inúteis)

Após propagar cada cópia, verificou-se se ela é relevante para alguma instruçãoSe não era relevante para nenhuma instrução, a cópia era removida.

local a, b, c, d, e, f, g, i, n, start, stop, h, j, l;h = 0; j = 0while h < 10 do

start = os.clock()n = 10000000i = 0a = 4b = 3c = math.pid = a / be = d * cwhile i < n do

d = a / be = d * cf = i * if = f * ig = e * fi = i + 1

end stop = os.clock()j = j + stop - starth = h + 1

endj = j/10print("Benchmark: ",j,"segundos.\n")

loadk 11 0 ; 0loadk 12 0 ; 0lt 0 11 257 ; 10, to [5] if truejmp 29 ; to [34]getglobal 14 2 ; osgettable 14 14 259 ; "clock“call 14 1 2 move 9 14 loadk 8 4 ; 10000000loadk 7 0 ; 0loadk 0 5 ; 4loadk 1 6 ; 3getglobal 14 7 ; mathgettable 2 14 264 ; "pi“div 3 0 1 mul 4 3 2 lt 0 7 8 ; to [19] if truejmp 7 ; to [26]div 3 0 1 mul 4 3 2 mul 5 7 7 mul 5 5 7 mul 6 4 5 add 7 7 265 ; 1

jmp -9 ; to [17]

getglobal 14 2 ; os

gettable 14 14 259 ; "clock“

call 14 1 2

move 10 14

add 14 12 10

sub 12 14 9

add 11 11 265 ; 1

jmp -31 ; to [3]

div 12 12 257 ; 10

getglobal 14 10 ; print

loadk 15 11 ;

move 16 12

loadk 17 12 ;

call 14 4 1

return 0 1

Código antes e depois de:

Eliminação de Subexpressão Comum

Propagação de cópia e eliminação de código morto

div 3 0 1 mul 4 3 2

move 3 3 move 4 4

; instruções; removidas

move 3 3 move 4 4

loadk 11 0 ; 0loadk 12 0 ; 0lt 0 11 257 ; 10, to [5] if truejmp 29 ; to [34]getglobal 14 2 ; osgettable 14 14 259 ; "clock“call 14 1 2 move 9 14 loadk 8 4 ; 10000000loadk 7 0 ; 0loadk 0 5 ; 4loadk 1 6 ; 3getglobal 14 7 ; mathgettable 2 14 264 ; "pi“div 3 0 1 mul 4 3 2 lt 0 7 8 ; to [19] if truejmp 7 ; to [26]mul 5 7 7 mul 5 5 7 mul 6 4 5 add 7 7 265 ; 1

jmp -9 ; to [17]

getglobal 14 2 ; os

gettable 14 14 259 ; "clock“

call 14 1 2

move 10 14

add 14 12 10

sub 12 14 9

add 11 11 265 ; 1

jmp -31 ; to [3]

div 12 12 257 ; 10

getglobal 14 10 ; print

loadk 15 11 ;

move 16 12

loadk 17 12 ;

call 14 4 1

return 0 1

Ganho de performance:

Aprox. 33% mais rápido do que sem otimização

Antes de otimizar

Após otimizar

Em C

Tempo de execução

1.283 s 0.86 s 0.35 s

Lua é uma linguagem rápida e leve, porém dá espaço para várias otimizações de código

Com as implementações realizadas e com os testes feitos, verificou-se que é possível ainda ir mais além e melhorar muito a performance de programas em Lua

Implementar novas otimizações de código

Aprimorar as já existentes, deixando-as mais poderosas

Acoplar o otimizador de código ao compilador de Lua

Um estudo sobre possíveis técnicas de otimização de código para bytecode Lua

Alex de Magalhães Machado

Orientador: Prof. Dr. Olinto José Varela Furtado

Banca Examinadora: Prof. Dr. Ricardo Azambuja Silveira

Prof. José Eduardo De Lucca

Outubro 2009