В таблице 2 собрана информация о том, какие приемы оптимизации выполнялись каждым компилятором на тексте теста. Каждый компилятор из рассматриваемого набора выполняет простейшие приемы оптимизации, такие как свертка констант и алгебраические упрощения. Большинство применяют методы оптимизации некоторого промежуточного уровня, включающего снижение мощности и удаление общих подвыражений. Некоторые выполняют оптимизацию высокого уровня, такую как вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции циклов. Ни один не выполняет успешно слияние циклов, и только Datalight Optimum-C делает попытки, далеко не удовлетворительные, применения глубокого удаления общих подвыражений.

--------------------------------------------------------------¬

¦Таблица 2: Результаты теста оптимизации ¦

+-------------------------T---T---T---T---T---T---T---T---T---+

¦ КОМПИЛЯТОР ВЕРСИЯ ¦ 1 ¦ 2 ¦ 3 ¦ 4 ¦ 5 ¦ 6 ¦ 7 ¦ 8 ¦ 9 ¦

+-------------------------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

¦МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Свертка констант (целых) ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Свертка констант (плав.) ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Размножение констант ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Размножение копий ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Алгебр.упрощения ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Подавление деления на 0 ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление подвыражений ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Снижение мощности ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Удаление излишних ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ загрузок/сохранений ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление недостижи- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ мого кода ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление излишних ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ присваиваний ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Использ. машинно- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ зависимых команд ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Поддержка встроенных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ функций ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Размещение переменных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ в регистрах ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Непосредственные инструк-¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ции 80287 ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Сжатие цепочки переходов ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Вынесение инвариантного ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ кода ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удаление переменных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ индукции циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удаление циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удал. глуб. подвыражений ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Разворачивание циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Слияние циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

+-------------------------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

¦ 1 - BORLAND Turbo C 1.5, 2 - COMPUTER INNOVATIONS ¦

¦ C86Plus 1.1, 3 - DATALIGHT Optimum-C 3.14, 4 - LATTICE ¦

¦ MS-DOS C 3.2, 5 - MANX Aztec C 4.0, 6 - METAWARE High C ¦

¦ 1.4, 7 - MICROSOFT C 5.0, 8 - MICROSOFT QuickC 1.0, 9 - ¦

¦ WATCOM C 6.0. ¦

¦ * - компилятор применяет этот метод оптимизации. ¦

+-------------------------------------------------------------+

¦ Большинство включенных в обзор компиляторов языка Си ¦

¦ поддерживают простые методы оптимизации, такие как ¦

¦ алгебраические упрощения, и только несколько компиляторов ¦

¦ применяют более сложные формы, такие как удаление общих ¦

¦ подвыражений. ¦

L--------------------------------------------------------------

Borland International.

Выход компилятора Turbo C представляет собой разумный, но не очень оптимизированный код. Кроме свертки констант, удаления лишних загрузок регистров и алгебраических упрощений, компилятор выполняет только снижение мощности, удаление недостижимого кода и размещение переменных в регистрах. Он не поддерживает другие общие методы оптимизации, такие как удаление лишних сохранений, общих подвыражений и переменных индукции цикла, а также вынесение инвариантного кода.

Turbo C разумно управляет прологом и эпилогом функций и использованием регистров, засылая в стек и извлекая только те регистры, которые явно используются внутри тела функции.

Computer Innovation Inc.

Компилятор C86Plus вырабатывает хороший код со средним уровнем оптимизации. Он выполняет базовые приемы оптимизации, такие как свертка констант и размножение копий. Однако он не выполняет размножение констант для удаления лишних сохранений.

Хотя компилятор успешно выполняет алгебраические упрощения, он порождает лишние инструкции из-за того, что размещает результаты в регистрах, вместо того, чтобы помещать их в переменные. Этот эффект проявляется в том, что при размещении переменных в регистрах предпринимаются попытки переразмещения, так как при выполнении нескольких операторов результаты в действительности должны быть присвоены соответствующим переменным.

Хотя C86Plus успешно справляется со сверткой явных дублирующихся присваиваний в одно присваивание, удаление лишних сохранений он выполняет неустойчиво. Единственное лишнее присваивание в функции dead_code остается единственной командой после того, как компилятор удаляет недостижимый код из функции.

C86Plus - один из нескольких компиляторов рассматриваемого набора, который преобразует инициализацию элементов массива из функции проверки разворачивания циклов в эквивалентную команду STOSW процессора 80x86 с префиксом REP. Однако, что касается разумного уровня оптимизации в других областях, то он не смог решить задачу преобразования цепочки переходов в функции jump_chain_compression в один переход. Он не выполняет существенную оптимизацию циклов.

Datalight Inc.

С появлением Optimum-C Datalight стала одним из первых поставщиков, предложивших оптимизирующий компилятор. Хотя набор тестов не подтвердил наглядно претензии Datalight на глобальную оптимизацию, Optimum-C сработал так хорошо в некоторых фрагментах теста, что он продемонстрировал слабые фрагменты набора, требующие изменений для усовершенствования желаемой проверки. Например, в первой версии функции jump_compression не возвращалось значение, что делало все вычисления и присваивания в функции лишними. Optimum-C выявил это и удалил большую часть кода функции, включая цепочку переходов.

В тесте размножения констант и копий Optimum-C определил, что присваивание i5 в обоих условных операторах является излишним по отношению к последующим присваиваниям. Компилятор удалил не только эти присваивания, но и условные операторы.

Неудовлетворительным оказалось удаление лишних сохранений значений регистров. Optimum-C удалил одно лишнее присваивание, i=k5, в тесте размножения констант и копий и лишнее присваивание в функции dead_code. Он не удалил второе лишнее присваивание, i=2, в тесте размножения констант и копий, и k=2, дублируемое присваивание.

Optimum-C - единственный компилятор, который пытался выполнить глубокое удаление общих выражений. Проверка сгенерированного кода показала, что общее выражение i5+i2 было перемещено выше первого базового блока условного оператора, но не было удалено из второго.

Вне ограничений на стандартное использование регистров, накладываемых семейством микропроцессоров 80x86, Optimum-C разумно использует регистры. В функции jump_compression каждый передаваемый параметр был помещен в регистр. Внутри тела функции не было ссылок в память, кроме начальной засылки в регистры.

Одной важной областью, в которой компилятор Optimum-C требует улучшений, является оптимизация циклов. Компилятор не пытается выполнять вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции цикла.

Тест выполнения показал, что компилятор Datalight очень эффективно управляет вводом/выводом getc/putc, а остальные тесты выполняются в приемлемое время.

Lattice Inc.

Имеющий большую историю компилятор Lattice MS-DOS C последовательно совершенствовался с каждой новой версией. Он известен как генератор стабильного, предсказуемого кода и выполняет умеренную оптимизацию. Lattice С выполняет снижение мощности, сжатие цепочки переходов и удаление общих подвыражений. Он не удаляет дублирующиеся присваивания после теста встроенных функций и лишние присваивания в функции dead_code. Хотя он не генерирует никакого кода для недостижимого printf в функции dead_code, компилятор Lattice C генерирует ненужный безусловный переход к LEAVE, которая является следующей инструкцией.

Единственными сгенерированными машинно-зависимыми инструкциями были ENTER и LEAVE, инструкции микропроцессоров 80x86 для прологов и эпилогов функций. Это сомнительное благо, поскольку выполнение ENTER требует больше циклов микропроцессора, чем установка адресации стекового фрейма отдельными инструкциями. Lattice C не выполняет оптимизацию циклов.

Manx Software Systems Inc.

Компилятор Aztec C86 сгенерировал хороший код с довольно хорошим уровнем оптимизации. Кроме свертки констант и алгебраических упрощений, Aztec C86 выполнил снижение мощности и удаление общих подвыражений. Однако, он не выполнил удаление лишних присваиваний и не удалял недостижимый код. Aztec C86 сгенерировал код для недостижимого оператора printf вместе с безусловным переходом через него.

Поскольку любая программа на Си имеет значительное количество вызовов функций, заголовок каждого вызова необходимо минимизировать. Aztec C86 использует необычный, но эффективный подход к решению этой проблемы. На выходе компилятора получается текст в языке ассемблера, который обрабатывается отдельным ассемблером. Компилятор вставляет в текст директивы условного ассемблирования вокруг кода, который устанавливает стековый фрейм и сохраняет регистры. После генерации кода функции компилятор определяет символы для управления установкой стекового фрейма и сохранения только тех регистров, которые используются в функции.

Aztec C86 не смог решить задачу преобразования цепочки переходов в один переход к конечной цели. Он также не выполнял оптимизацию циклов.

Metaware Inc.

High C вырабатывает хороший код со средним уровнем оптимизации. Компилятор выполняет все базовые виды оптимизации, включая свертку констант и алгебраические упрощения, удаление лишних операций загрузки регистров, снижение мощности и удаление общих подвыражений. Компилятор Metaware удаляет недостижимый код из функции dead_code, но не удаляет лишние присваивания.

High C разумно использует машинно-зависимые инструкции. Компилятор усовершенствует загрузку констант с плавающей точкой, используя команду копирования строк MOVS процессоров 80x86 для записи значений с плавающей точкой, вычисленных во время компиляции. Он также генерирует инструкцию LEAVE процессоров 80x86 для эпилога функций, но устанавливает адресацию стекового фрейма в прологе функции с помощью отдельных инструкций, а не используя более длительную инструкцию ENTER.

Компилятор High C не выполняет вынесение инвариантного кода, важный метод оптимизации циклов. Он также не смог применить успешно удаление переменных индукции циклов. Встроенные функции поддерживаются для нескольких целочисленных и строковых операций, таких как strlen.

Microsoft C.

В версии 5.0 своего компилятора Си корпорация Microsoft вывела высокий уровень оптимизации кода на рынок PC. Microsoft уделяет много внимания анализу циклов. C 5.0 – единственный из рассматриваемых компиляторов, который выполняет вынесение инвариантного кода и настоящее удаление переменных индукции циклов. Компилятор Microsoft C 5.0 превосходно использует регистры, стараясь минимизировать обращения к памяти в теле цикла (см. рис. 4 и 5).

Простой пример цикла в коде теста демонстрирует степень оптимизации циклов, выполняемой Microsoft C 5.0 (см. рис. 3). Компилятор применяет снижение мощности и полностью удаляет константное умножение, выявляет конечное состояние переменных j5 и k5, и помещает в регистры все переменные внутри цикла.

Другой хороший пример оптимизации циклов этим компилятором отражен в функции unnecessary_loop. C 5.0 удаляет цикл for и генерирует код только с целью установки конечного состояния переменной - индекса цикла и оператора, включенного в цикл. Компилятор также хорошо использует регистры.

Внимание фирмы Microsoft к оптимизации вознаграждается при работе теста выполнения. Он выполняется за время, которое является лучшим или близко к лучшему по каждой категории.

Microsoft QuickC.

Когда речь идет об оптимизации, QuickC становится настолько беспомощным, насколько C 5.0 изощренным. Код, сгенерированный QuickC, был в основном дословным переводом, насыщенным излишними загрузками и сохранениями регистров, переходами на переходы. Этот компилятор применяет лишь наиболее первичные методы оптимизации, свертку констант и некоторые алгебраические упрощения. Он сгенерировал недостижимый код, поместил переход через него и не смог выполнить сжатие цепочки переходов.

В пользу компилятора свидетельствует то, что что он разумно управляет прологами и эпилогами функций, используя отдельные инструкции для установки адресации стекового фрейма при входе и инструкцию LEAVE при завершении функции. При входе сохраняются и при выходе восстанавливаются только те регистры, которые используются в теле функции.

QuickC был влючен в этот обзор, потому что он имеет ключ оптимизации в командной строке (-Ox). Генерируя код, который по своей природе - дословный перевод исходного текста, QuickC был разработан исключительно как быстрый прототип компилятора, но не как оптимизирующий компилятор.

WATCOM.

Новейший соперник, завоевывающий позиции на рынке компиляторов C - WATCOM C 6.0 (см. Product Watch, Philip N. Hisley, за этот месяц). C 6.0 вырабатывает компактный код, который прекрасно использует несколько ограниченный комплект регистров семейства 80x86. Кроме выполнения базовых приемов оптимизации, он поддерживает снижение мощности и удаление недостижимого кода и общих подвыражений. В то время, как Microsoft достигает улучшения кода благодаря оптимизации циклов, WATCOM увеличивает скорость путем уменьшения управляющих заголовков вызовов функций к их абсолютно минимальному размеру. Он достигает этого путем преимущественной передачи параметров через регистры, а не через стек.

WATCOM очень хорошо удаляет недостижимый код. C 6.0 не только удалил ненужные присваивания и недостижимый код внутри функции, но он также удалил пролог и эпилог функции и свернул всю функцию к простому возврату, приписав имя функции к инструкции возврата основной функции. В завершение всего, компилятор удалил локальный вызов функции.

Насколько C 6.0 изощрен в уничтожении бесполезной функции, настолько же он беспомощен при удалении бесполезного дублирующегося присваивания. Наиболее важная область, за которую WATCOM C 6.0, как и Optimum-C, не смог взяться, была оптимизация циклов. Он не поддерживает вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции циклов.

Хотя C 6.0 не выполняет разворачивание циклов в отдельные команды, он (также как Datalight Optimum-C и Computer Innovations C86Plus) использует команду REP/STOSW процессоров 80x86 для инициализации тестового массива, благодаря чему удаляет цикл.

Прекрасная генерация кода в WATCOM, в частности, разумное использование регистров, дает ему очень важное преимущество. В тесте выполнения он победил в большинстве тестов, интенсивно использующих процессор, и при этом выполнялся для большой модели в лучшее время, чем большинство других компиляторов для малой модели. К слабым сторонам WATCOM можно отнести ввод/вывод файлов, использование getc и putc. Здесь он близок к наихудшим компиляторам.

Выявленные лидеры

По существующему определению, любой компилятор, который выполняет не буквальное отображение исходного текста, выполняет некоторый вид оптимизации, даже если преобразование это такое низкоуровневое, как свертка констант. Минимальный приемлемый уровень оптимизации будет возрастать по мере того, как доступная на рынке технология генерации кода будет предоставлять более глубокие методы оптимизации. На сегодняшнем уровне технологии минимальным приемлемым уровнем оптимизации представляется удаление общих подвыражений. Этот уровень подразумевает, что компиляторы, которые выполняют удаление общих подвыражений, также выполняют основные приемы оптимизации, такие как свертка констант и алгебраические упрощения.

Даже с установленным минимальным уровнем оценка возможностей конкретных компиляторов усложняется существованием многих несоизмеримых форм оптимизации. Компилятор может хорошо использовать регистры, но не поддерживать удаление общих подвыражений. Поскольку оптимизированный код зависит не только от применяемых методов, но также и от структуры программы, которая оптимизировалась, в общем случае было бы заблуждением считать, что один компилятор лучше другого, опираясь исключительно на один отдельный тест.

Хотя все девять рассматриваемых компиляторов генерируют приемлемый код, три из них, - Datalight Optimum-C, Microsoft C 5.0 и WATCOM C 6.0, - выполняют оптимизацию кода более высокого уровня, чем остальные.

Компилятор Datalight Optimum-C - это быстрый и выразительный исполнитель. Он выполняет обширный анализ потоков данных и оптимизирует код, за который другие компиляторы не берутся.

Microsoft C 5.0 применяет оптимизацию циклов, которая является одной из областей с большими потенциальными возможностями улучшения кода. Применяя вынесение инвариантного кода, удаление переменных индукции циклов и очень качественное распределение переменных по регистрам, Microsoft C 5.0 вырабатывает прекрасный код.