Оптимизация линейных участков программ

Линейный участок программы — это выполняемая по порядку последовательность операций, имеющая один вход и один выход. Чаще всего линейный участок со­держит последовательность вычислений, состоящих из арифметических опера­ций и операторов присвоения значений переменным.

Для операций, составляющих линейный участок программы, могут применяться следующие виды оптимизирующих преобразований:

- удаление бесполезных присваиваний;

- исключение избыточных вычислений (лишних операций);

- свертка операций объектного кода;

- перестановка операций;

- арифметические преобразования.

Удаление бесполезных присваиваний заключается в том, что если в составе ли­нейного участка программы имеется операция присвоения значения некоторой произвольной переменной А с номером i, а также операция присвоения значения той же переменной А с номером j, i<j и ни в одной операции между i и j не ис­пользуется значение переменной А, то операция присвоения значения с номером i является бесполезной. Фактически бесполезная операция присваивания значе­ния дает переменной значение, которое нигде не используется. Такая операция может быть исключена без ущерба для смысла программы.

В общем случае, бесполезными могут оказаться не только операции присваива­ния, но и любые другие операции линейного участка, результат выполнения ко­торых нигде не используется.

Например, во фрагменте программы

А := В * С;

D := В + С;

А := D * С;

операция присвоения А:=В*С; является бесполезной и может быть удалена. Вме­сте с удалением операции присвоения здесь может быть удалена и операция ум­ножения, которая в результате также окажется бесполезной.

Обнаружение бесполезных операций присваивания далеко не всегда столь оче­видно, как было показано в примере выше. Проблемы могут возникнуть, если между двумя операциями присваивания в линейном участке выполняются дей­ствия над указателями (адресами памяти) или вызовы функций, имеющих так называемый «побочный эффект».

Например, в следующем фрагменте программы

Р := @А;

А := В * С;

D := Р^ + С;

А := D * С;

операция присвоения А:= В*С; уже не является бесполезной, хотя это и не столь очевидно. В этом случае неверно следовать простому принципу о том, что если переменная, которой присвоено значение в операции с номером i, не встречается ни в одной операции между i и j, то операция присвоения с номером i является бесполезной.

Исключение избыточных вычислений (лишних операций) заключается в нахож­дении и удалении из объектного кода операций, которые повторно обрабатывают одни и те же операнды. Операция линейного участка с порядковым номером i считается лишней, если существует идентичная ей операция с порядковым но­мером j,j<i и никакой операнд, обрабатываемый этой операцией, не изменялся никакой операцией, имеющей порядковый номер между i и j.

Свертка объектного кода — это выполнение во время компиляции тех операций исходной программы, для которых значения операндов уже известны. Тривиаль­ным примером свертки является вычисление выражений, все операнды которых являются константами.

Например, выражение А:=2*В*С*3; может быть преобразова­но к виду А:=6*В*С.

Более сложные варианты алгоритма свертки принима­ют во внимание также и переменные, и функции, значения для которых уже из­вестны.

Хорошим стилем программирования является объединение вместе операций, про­изводимых над константами, чтобы облегчить компилятору выполнение свертки.

Перестановка операций заключается в изменении порядка следования операций, которое может повысить эффективность программы, но не будет влиять на ко­нечный результат вычислений.

Например, операции умножения в выражении А:=2*В*3*С; можно переставить без изменения конечного результата и "выполнить в порядке А:=(2*3)*(В*С). То­гда представляется возможным выполнить свертку и сократить количество опе­раций.

Арифметические преобразования представляют собой выполнение изменения ха­рактера и порядка следования операций на основании известных алгебраических и логических тождеств.

Например, выражение A:=B*C+B*D;может быть заменено на А:=В*(С+D):. Конеч­ный результат при этом не изменится, но объектный код будет содержать на одну операцию умножения меньше.

К арифметическим преобразованиям можно отнести и такие действия, как за­мена возведения в степень на умножение; а целочисленного умножения на кон­станты, кратные 2, — на выполнение операций сдвига. В обоих случаях удается повысить быстродействие программы заменой сложных операций на более про­стые.