Мне очень запомнилось высказывание Михаила Флёнова в одной из его книг: «Если Вы написали программу, то Вы программист. Но если Ваша программа лучше других, то Вы хакер. Оптимизация — один из способов сделать программу максимально быстрой, эффективной и выделяющейся на фоне остальных». Так оно и есть. Очень приятно, когда сложная и многофункциональная программа буквально «летает», и хочется убить программиста, когда его небольшая утилита «тормозит» по любому поводу. Первым делом я всегда осуществляю оптимизацию алгоритма. На мой взгляд, именно от алгоритма зависит весь жизненный цикл программы. После оптимизации алгоритма можно попробовать улучшить отдельные функции, небольшие связанные между собой части программы, поиграться с параметрами. Но в конце-концов наступает момент, когда всё кажется вылизанным до последней мелочи и можно считать, что программа оптимизирована. Однако, если Вы используете один из языков высокого уровня, то есть ещё один шаг — низкоуровневая оптимизация. Я расскажу Вам об основах этого нелёгкого, но интереснейшего занятия. В качестве рабочего инструмента я буду использовать язык программирования C++, а конкретнее — компилятор g++. Так как само название «низкоуровневой оптимизации» говорит нам о том, что работать мы будем на уровне языка ассемблера, то стоит заметить, что я использую ОС GNU/Linux, а значит мы будем иметь дело не стандартным синтаксисом INTEL, а с синтаксисом AT&T, немного отличающимся от привычного нам кода, например, в MASM или TASM. Перед константными выражениями в соответствии с правилами синтаксиса AT&T мы будем ставить знак $, перед именами регистров – %, а в командах пересылки на первое место ставится источник, на второе — назначение (в синтаксисе INTEL всё как раз наоборот). Синтаксис AT&T может показаться совершенно непонятным на первый взгляд, а, может быть, даже неуклюжим и глупым. Но лично я считаю его более удобным и совершенным: логичнее указывать источник первее, чем назначение, а обозначение регистров со знаком % и констант со знаком $ в конце-концов делает код более читабельным и простым для восприятия. Кроме того, стоит заметить, что так же я использую архитектуру x86_64, а значит, если Вы работаете в 32-разрядной операционной системе, то в некоторых моментах код для Вашей платформы может немного отличаться от моего. На этом закончим вступительную часть и приступим непосредственно к теме статьи. Общая информация Код на C++ будет переведён компилятором в машинные команды, а значит, скорее всего, может быть переведён в код на языке Assembler. Так оно и есть. Для этого укажите компилятору опцию -S: Code: g++ test.cpp -S и он создаст в текущем каталоге файл test.s, содержащий конвертированный код. Чем нам может быть полезен код на ассемблере? А тем, что компилятор реализует инструкции «общим случаем», т.е. таким образом, чтобы они работали всегда. Отсюда и идёт некоторая потеря производительности: то тут лишняя инструкция влезла, тот там ещё лишние пять. Давайте сразу рассмотрим пример: Code: int main() { for (int i=0; i<10; i++); return 0; } Казалось бы, код — проще некуда, и оптимизировать в нём совершенно нечего. Но давайте сохраним его в файле test.cpp и переведём его в код на ассемблере: Code: g++ test.cpp -S Получится файл примерно следующего содержания: Code: .file «test.cpp» .text .globl main .type main, @function main: .LFB0: .cfi_startproc .cfi_personality 0×3,__gxx_personality_v0 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 movq %rsp, %rbp .cfi_offset 6, -16 .cfi_def_cfa_register 6 movl $0, -4(%rbp) jmp .L2 .L3: addl $1, -4(%rbp) .L2: cmpl $9, -4(%rbp) setle %al testb %al, %al jne .L3 movl $0, %eax leave ret .cfi_endproc .LFE0: .size main, .-main .ident «GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3″ .section .note.GNU-stack,»",@progbits Как вы, наверное, заметили (а скорее всего не заметили =)), цикл «for» реализуется не совсем так, как хотелось бы. Если быть точнее, то не очень хорошо выбрано место для хранения переменной-счётчика: Code: movl $0, -4(%rbp) jmp .L2 .L3: addl $1, -4(%rbp) .L2: cmpl $9, -4(%rbp) … jne .L3 Что тут не так? А то, что значение переменной i хранится в оперативной памяти, доступ к которой производится не так быстро, как к регистрам процессора. В данном случае необязательно править код на ассемблере. Достаточно объявить переменную i как регистровую: Code: for (register int i=0; i<10; i++); и мы получим asm-листинг, в котором i хранится не в ячейке памяти, а в регистре ebx, работа с которым производится быстрее, чем с ячейкой ОЗУ. Вот, собственно, мы и сделали первый шаг, используя метод низкоуровневой оптимизации и имеем следующий код: Code: .file «test.cpp» .text .globl main .type main, @function main: .LFB0: .cfi_startproc .cfi_personality 0×3,__gxx_personality_v0 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 movq %rsp, %rbp .cfi_offset 6, -16 .cfi_def_cfa_register 6 pushq %rbx movl $0, %ebx .cfi_offset 3, -24 jmp .L2 .L3: addl $1, %ebx .L2: cmpl $9, %ebx setle %al testb %al, %al jne .L3 movl $0, %eax popq %rbx leave ret .cfi_endproc .LFE0: .size main, .-main .ident «GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3″ .section .note.GNU-stack,»",@progbits Лично меня не устраивает строчка: Code: addl $1, %ebx Зачем использовать команду сложения для того, чтобы прибавить единицу? Ведь намного рациональнее будет использовать операцию инкремента (увеличения на единицу): Code: inc %ebx По-идее, да. Использовать операцию инкремента было бы рациональнее, но мы поступим другим образом. Достаточно вспомнить про инструкцию loop, используемую специально для циклов со счётчиком типа for. Немного напомню о принципе работы loop для тех, кто о нём забыл и тех, кто о нём даже не подозревал. Все циклы со счётчиком имеют следующую конструкцию: Code: movl $10, %ecx .L: /* * Тело цикла */ dec $ecx /* операция декремента (уменьшения на единицу) */ cmp %ecx, 0 /* (%ecx == 0) ??? */ jne .L /* если (%ecx != 0) то jmp L */ Инструкция loop заменяет собой три последних строки: декремент, сравнение и условный переход. Как вы, наверное, уже догадались, работает loop быстрее, чем эти три инструкции. Выглядит использование этого оператора так: Code: mov $10, %ecx .L: /* * Тело цикла */ loop .L Попрошу заметить, что переменная-счётчик должна находиться в регистре %ecx! Так же, учитывайте то, что туда надо заносит именно количество необходимых проходов цикла! Никаких «плюс/минус единиц», как в C/C++! Учитывая всё вышесказанное, оптимизируем код нашей программы так: Code: .file «test.cpp» .text .globl main .type main, @function main: .LFB0: .cfi_startproc .cfi_personality 0×3,__gxx_personality_v0 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 movq %rsp, %rbp .cfi_offset 6, -16 .cfi_def_cfa_register 6 pushq %rbx movl $10, %ecx .cfi_offset 3, -24 .L2: /* * Тело цикла */ loop .L2 movl $0, %eax popq %rbx leave ret .cfi_endproc .LFE0: .size main, .-main .ident «GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3″ .section .note.GNU-stack,»",@progbits Как и обещалось, код, полученный в самом начале нашей статьи существенно оптимизировался. И это не смотря на то, что наша С-программа состояла всего лишь из одной строки! Я имею ввиду ту самую строку, которая несёт смысловую нагрузку в нашем демонстрационном примере =) Asm-функции на основе шаблонов C++ Конечно, оптимизация отдельно взятых кусков кода — это большой плюс к производительности. Но Вы можете самостоятельно реализовать на ассемблере целые функции (процедуры). Рассмотрим пример: Code: void sum(int a, int b, int *c) { } int main() { int a = 5, b = 4, c; sum(a, b, &c); } В данном случае мы преднамеренно не определили алгоритм функции sum(…), чтобы реализовать его непосредственно на ассемблере. Функция sum(…) должна складывать первые два аргумента и записывать результат в третий аргумент. Запустим g++ с ключом -S и получим листинг: Code: .file «test.cpp» .text .globl _Z3sumiiPi .type _Z3sumiiPi, @function _Z3sumiiPi: .LFB0: .cfi_startproc .cfi_personality 0×3,__gxx_personality_v0 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 movq %rsp, %rbp .cfi_offset 6, -16 .cfi_def_cfa_register 6 movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) movq %rdx, -16(%rbp) leave ret .cfi_endproc .LFE0: .size _Z3sumiiPi, .-_Z3sumiiPi .globl main .type main, @function main: .LFB1: .cfi_startproc .cfi_personality 0×3,__gxx_personality_v0 pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 movq %rsp, %rbp .cfi_offset 6, -16 .cfi_def_cfa_register 6 subq $16, %rsp movl $5, -4(%rbp) movl $4, -8(%rbp) leaq -12(%rbp), %rdx movl -8(%rbp), %ecx movl -4(%rbp), %eax movl %ecx, %esi movl %eax, %edi call _Z3sumiiPi movl $0, %eax leave ret .cfi_endproc .LFE1: .size main, .-main .ident «GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3″ .section .note.GNU-stack,»",@progbits По метке _Z3sumiiPi: находится функция sum(). Почему имя функции записано так искажённо? Здесь sum это имя функции, а iiPi — список аргументов: int, int, * int (последний происходит от pointer — указатель). Это делается для поддержки возможности перегрузки функций. Реализация алгоритма функции на языке ассемблера выглядит так: Code: /* Значение первого параметра перемещаем в %eax */ movl -8(%rbp), %eax /* Значение второго параметра перемещаем в %edx */ movl -4(%rbp), %edx /* Складываем %eax и %edx */ addl %eax, %edx /* Перемещаем адрес, указанный в третьем параметре, в %rax */ movq -16(%rbp), %rax /* Записываем сумму в ячейку, с адресом, указанным в %rax */ movl %edx, (%rax) Для того, чтобы функция заработала, вышеприведённый код следует вставить непосредственно перед инструкцией leave. Теперь немного о параметрах. Компиляторы, например от Microsoft или Borland, передают параметры в функцию через стек таким образом, что первым туда попадает крайний правый параметр, а последним — крайний левый. Возвращает же значение функция через регистр ax (для 16-битных компиляторов, для других — через соответствующие регистры). В случае компилятора g++ вопрос передачи параметров решается немного по-другому. Попробуйте сами сгенерировать код, содержащий передачу параметров функции в количестве от одного до десяти, и посмотреть как это делается. Уверяю Вас, это действительно интересно! Вообще говоря, изучайте свою систему, свой компилятор. Потому что даже разные версии одного и того же компилятора могут генерировать разный код. Заключение На этом я, пожалуй, закончу. Надеюсь, мне удалось показать вам основы низкоуровневой оптимизации в той мере, которая необходима для понимания данного метода. Использование возможностей ассемблера при программировании на языках высокого уровня даёт вашей программе не только прирост в скорости и эффективности. Вы так же можете выполнять аппаратно-зависимые функции, недоступные в C/C++ или других языках. Кроме того, может возникнуть ситуация, когда Вам будет необходимо обойти запреты ООП или операционной системы. Команды процессора «прорвут» инкапсуляцию, даже не подозревая о её существовании. Экспериментируйте с ассемблерными вставками и вы узнаете о своём компиляторе массу новой и полезной информации. И не слушайте умников, которые говорят что ассемблер умер и никому не нужен. Большое спасибо за внимание. Статья взята из моего личного блога http://www.perechnev.com/.
