مصرف محسن

حركة الكود الثابتة في الحلقة

من جهة ثانية، إذا حُسبت كمية داخل حلقة أثناء كل تكرار، وكانت قيمتها هي نفسها في كل تكرار، فيمكن تحسين الكفاءة بدرجة كبيرة لرفعها خارج الحلقة وحساب قيمتها مرة واحدة فقط قبل بدء الحلقة.: 596 وهذا مهم بشكل خاص مع تعبيرات حساب العنوان التي تُولَد بواسطة الحلقات عبر المصفوفات. من أجل التنفيذ الصحيح، يجب استخدام هذه التقنية مع عكس الحلقة، لأنه ليس كل الكود آمنًا ليُرفع خارج الحلقة.

تحسين الحالة المشتركة

من جانب آخر، قد تحتوي الحالة الشائعة على خصائص فريدة تسمح بمسار سريع على حساب مسار بطيء. إذا أُتبع المسار السريع بشكل متكرر، فستكون النتيجة أداءً عامًا أفضل.

المواضيع المشتركة

وفي هذا الصدد، يتضمن التحسين الموضوعات التالية، والتي قد تكون متضاربة في بعض الأحيان.

إعادة ترتيب كتلة التعليمات البرمجية

كذلك، يؤدي إعادة ترتيب كتلة التعليمات البرمجية إلى تغيير ترتيب الكتل الأساسية في البرنامج لتقليل الفروع الشرطية وتحسين موقع المرجع.

التعرف على المتغيرات الاستقرائية والتخلص منها

انظر المناقشة أعلاه حول تحليل المتغيرات الاستقرائية.

تجنب التكرار

ومن جهة أخرى، إعادة استخدام النتائج المحسوبة بالفعل وتخزينها لاستخدامها لاحقًا، بدلاً من إعادة حسابها.

تقليل تصادمات ذاكرة التخزين المؤقت

(مثلًا، عن طريق تعطيل المحاذاة داخل الصفحة)

الطي والانتشار المستمر

ومن ناحية أخرى، استبدال التعبيرات المكونة من الثوابت (مثلًا، 3 + 5) بقيمتها النهائية ( 8 ) في وقت التجميع، بدلاً من إجراء الحساب في وقت التشغيل. تُستعمل في أغلب اللغات الحديثة.

تحسينات اللغة الوظيفية

من جانب آخر، على الرغم من أن الكثير من هذه الأمور تنطبق كذلك على اللغات غير الوظيفية، إلا أنها تنشأ في اللغات الوظيفية مثل Lisp وML أو تكون بالغة الأهمية فيها.

مستقل عن الآلة مقابل معتمد عليها

وفي السياق ذاته، فيما يلي مثال على التحسين المعتمد على الجهاز المحلي. لتعيين سجل إلى 0، الطريقة الواضحة هي استخدام الثابت '0' في تعليمة تقوم بتعيين قيمة السجل إلى ثابت. الطريقة الأقل وضوحًا هي إجراء عملية XOR لسجل مع نفسه أو طرحه من نفسه. يتعين على المترجم أن يعرف أي متغير من التعليمات يجب استخدامه. في الكثير من أجهزة RISC، ستكون كلتا التعليمات مناسبة بنفس القدر، حيث سيكون لكل منهما نفس الطول ويستغرقان نفس الوقت. في الكثير من المعالجات الدقيقة الأخرى مثل عائلة Intel x86، اتضح أن متغير XOR أقصر وربما أسرع، حيث لن تكون هناك حاجة لفك تشفير متغير فوري، ولا استخدام "سجل المتغيرات الفوري" الداخلي؛ وينطبق الشيء نفسه على IBM System/360 والخلفاء لمتغير الطرح. المشكلة المحتملة في هذا الأمر هي أن XOR أو الطرح قد يؤدي إلى إدخال اعتماد بيانات على القيمة السابقة للسجل، مما يتسبب في توقف خط الأنابيب، والذي يحدث عندما يتعين على المعالج تأخير تنفيذ التعليمات لأنها تعتمد على نتيجة تعليمات سابقة. ومع ذلك، غالبًا ما تتعامل المعالجات مع عملية XOR الخاصة بالسجل مع نفسه أو طرح السجل من نفسه كحالة خاصة لا تتسبب في توقف العملية.

إضافةً إلى ذلك، إن الكثير من عمليات التحسين التي تعتمد على مفاهيم برمجية مجردة، مثل الحلقات أو الكائنات أو الهياكل، تُعد مستقلة عن نوع الجهاز الذي يُترجم إليه البرنامج، حيث يمكن تنفيذها على أي منصة. ومع ذلك، فإن بعضًا من أكثر عمليات التحسين فعالية هي تلك التي تستفيد من الخصائص الفريدة للمنصة المستهدفة. مثلًا، يمكن استغلال تعليمات خاصة تقوم بتنفيذ مهام متعددة في آنٍ واحد، مثل تقليل قيمة مسجلة والانتقال إلى تعليمة أخرى إذا لم تكن النتيجة صفرًا، وهي تحسينات تعتمد على قدرات المعالج المستهدف..

العوامل المؤثرة على التحسين

الاستخدام المقصود

إضافةً إلى ذلك، من أبرز الحالات التي تتطلب تحسينات موجهة للمنصة، هي تلك المتعلقة بالكود المصمم للعمل على المعالجات المتوازية أو المتجهة. في هذه الحالات، تُستعمل مترجمات موازية خاصة قادرة على استغلال إمكانيات هذه المعالجات لتنفيذ عدة عمليات في نفس الوقت، مما يحقق أداءً أعلى بكثير مقارنة بالمترجمات التقليدية.

وعلى صعيد آخر، تصحيح الأخطاء: أثناء التطوير، غالبًا ما تُعطل التحسينات لتسريع عملية التجميع أو لجعل الكود القابل للتنفيذ أسهل في التصحيح. إن تحسين التحويلات، وخاصة تلك التي تعيد ترتيب الكود، قد يجعل من الصعب ربط الكود القابل للتنفيذ بكود المصدر.

من جهة ثانية، يمكن تحسين البرامج الثابتة للنظام المضمن لوحدة المعالجة المركزية والذاكرة المستهدفة. قد تكون تكلفة النظام أو موثوقيته أكثر أهمية من سرعة الكود. مثلًا، عادةً ما تقدم برامج التجميع للبرامج المضمنة خيارات تعمل على تقليل حجم الكود على حساب السرعة. قد يلزم أن يكون توقيت الكود قابلاً للتنبؤ، بدلاً من أن يكون سريعًا قدر الإمكان، لذلك قد يُعطل تخزين الكود مؤقتًا، إلى جانب تحسينات المترجم التي تتطلب ذلك.

من جهة ثانية، الاستخدام العام: من المتوقع في كثير من الأحيان أن تُشغل البرامج المجمعة مسبقًا على مجموعة متنوعة من الأجهزة التي قد تشترك في نفس مجموعة التعليمات ولكنها تتمتع بخصائص أداء مختلفة. قد لا يكون الكود مُحسَّنًا لأي جهاز معين أو قد يُظبط للعمل بشكل أفضل على الجهاز الأكثر شيوعًا بينما يعمل بشكل أقل مثالية على الأجهزة الأخرى.

في هذا الإطار، استخدام لأغراض خاصة: إذا جُمع البرنامج لأجهزة ذات خصائص موحدة، فيمكن للمجمع تحسين الكود الناتج لتلك الأجهزة بدرجة كبيرة.

تحسين عش الحلقة

وفي السياق ذاته، تتمتع بعض الخوارزميات الشاملة مثل عملية ضرب المصفوفات بسلوك تخزين مؤقت ضعيف للغاية وعمليات وصول مفرطة إلى الذاكرة. تعمل عملية تحسين حلقة العش على زيادة عدد مرات الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت من خلال التشغيل عبر كتل صغيرة واستخدام تبادل الحلقة.

يمكن أن تساعد مقاييس وقت التشغيل

ومن ناحية أخرى، يمكن استخدام المعلومات التي جُمعت أثناء تشغيل الاختبار في التحسين الموجه بالملف الشخصي. يمكن لمترجم JIT استخدام المعلومات التي جُمعت في وقت التشغيل، مع الحد الأدنى من النفقات العامة، لتحسين التحسين بشكل ديناميكي.

جدولة التعليمات

وعلى صعيد آخر، يعد جدولة التعليمات تحسينًا مهمًا للمعالجات الحديثة المتصلة عبر خطوط الأنابيب، حيث يتجنب التوقفات أو الفقاعات في خطوط الأنابيب من خلال تجميع التعليمات التي لا تحتوي على أي تبعيات معًا، مع الحرص على الحفاظ على الدلالات الأصلية.

كود أقل

وعلى صعيد آخر، قفزات أقل باستخدام كود الخط المستقيم، والذي يُسمى كذلك الكود الخالي من الفروع

في هذا الإطار، إزالة الحسابات غير الضرورية والقيم الوسيطة. يؤدي تقليل العمل على وحدة المعالجة المركزية والذاكرة المؤقتة والذاكرة عادةً إلى تنفيذ أسرع. وبدلاً من ذلك، في الأنظمة المضمنة، يؤدي استخدام كمية أقل من التعليمات البرمجية إلى انخفاض تكلفة المنتج.

وعلى صعيد آخر، كود أقل تعقيدًا. تتداخل القفزات (الفروع المشروطة أو غير المشروطة) مع جلب التعليمات مسبقًا، مما يؤدي إلى إبطاء الكود. إن استخدام التضمين المضمن أو فك الحلقة قد يقلل من التفرع، وذلك على حساب زيادة حجم الملف الثنائي بطول الكود المكرر. يميل هذا إلى دمج الكثير من الكتل الأساسية في كتلة واحدة.

تبادل الحلقة

وفي السياق ذاته، من ضمن تقنيات التحسين، هناك تحويل يُعرف بتبديل ترتيب الحلقات، حيث تُستبدل الحلقة الداخلية بالحلقة الخارجية والعكس. يُستعمل هذا الأسلوب خاصةً عند التعامل مع المصفوفات، إذ يمكن أن يؤدي إلى تحسين كفاءة الوصول إلى عناصر المصفوفة، وذلك بناءً على الطريقة التي تُخزن بها البيانات في الذاكرة.

اعتبارات عملية

وفي السياق ذاته، أحد الأساليب المستعملة لعزل التحسين هو استخدام ما يسمى بمحسنات ما بعد المرور (بعض الإصدارات التجارية منها ترجع إلى برامج الحاسب الآلي المركزي في أواخر سبعينيات القرن العشرين). تأخذ هذه الأدوات إخراج الملف القابل للتنفيذ بواسطة مُجمِّع مُحسِّن وتعمل على تحسينه بشكل أكبر. تعمل محسِّنات ما بعد المرور عادةً على مستوى لغة التجميع أو الكود الآلي (على النقيض من المجمِّعات التي تعمل على تحسين التمثيلات الوسيطة للبرامج). ومن الأمثلة على ذلك مُجمِّع C المحمول (PCC) في ثمانينيات القرن العشرين، والذي كان يحتوي على تمريرة اختيارية من شأنها إجراء تحسينات لاحقة على كود التجميع الناتج.: 736

كذلك، هناك اعتبار آخر وهو أن خوارزميات التحسين معقدة، وخاصة عند استخدامها لتجميع لغات برمجة كبيرة ومعقدة، حيث يمكن أن تحتوي على أخطاء تؤدي إلى إدخال أخطاء في الكود الناتج أو تسبب أخطاء داخلية أثناء التجميع. يمكن أن تكون أخطاء المترجم من أي نوع مربكة للمستعمل، ولكن بشكل خاص في هذه الحالة، حيث قد لا يكون من الواضح أن منطق التحسين هو المسؤول عن الخطأ. في حالة وجود أخطاء داخلية، يمكن تحسين المشكلة جزئيًا من خلال تقنية برمجة "آمنة من الفشل" حيث يُبرمج منطق التحسين في المترجم بحيث يُحتجز الفشل، وإصدار رسالة تحذير، ثم يستمر باقي التجميع حتى اكتماله بنجاح.

علاوةً على ذلك، يمكن أن يكون هناك نطاق واسع من التحسينات التي يمكن للمترجم تنفيذها، بدءًا من التحسينات البسيطة والمباشرة التي تستغرق وقتًا قصيرًا في التجميع إلى التحسينات المعقدة التي تنطوي على قدر كبير من وقت التجميع.: 15 وعليه، غالبًا ما توفر المترجمات خيارات لأمر التحكم أو الإجراء الخاص بها للسماح لمستعمل المترجم باختيار مقدار التحسين الذي يطلبه؛ مثلًا، يسمح مترجم IBM FORTRAN H للمستعمل بتحديد عدم التحسين، أو التحسين على مستوى السجلات فقط، أو التحسين الكامل.: 737 بحلول عام 2000، أصبح من الشائع بالنسبة للمُجمِّعين، مثل Clang، أن يكون لديهم الكثير من خيارات أوامر المُجمِّع التي يمكن أن تؤثر على مجموعة متنوعة من خيارات التحسين، بدءًا من مفتاح -O2 المألوف.

عكس الحلقة

ومن ناحية أخرى، تقوم هذه التقنية بتغيير حلقة while القياسية إلى حلقة do/while (المعروفة كذلك باسم repeat/until) ملفوفة في شرط if، مما يقلل عدد القفزات بمقدار اثنين، في الحالات التي تُنفذ تنفيذ الحلقة. يؤدي القيام بذلك إلى تكرار فحص الحالة (زيادة حجم الكود) ولكنه أكثر كفاءة لأن القفزات عادةً ما تتسبب في توقف خط الأنابيب. علاوةً على ذلك، إذا كانت الحالة الأولية معروفة في وقت التجميع ومعروفة أنها خالية من الآثار الجانبية، فيمكن تخطي الحماية if.

الموقع

في هذا الإطار، ينبغي وضع الكود والبيانات التي يوصل إليها معًا عن كثب في الوقت المناسب بالقرب من بعضها البعض في الذاكرة لزيادة محلية المرجع المكانية.

إزالة الكود الميت

في هذا الإطار، إذا كان هناك تعبير يُنفَّذ سواء تحقق شرط معين أم لم يتحقق، فيمكن تبسيط الكود عبر وضع هذا التعبير خارج البنية الشرطية وتنفيذه مرة واحدة فقط. وبالمثل، في حال وُجدت تعبيرات معينة — مثل تعيين قيمة ثابتة لمتغير — داخل حلقة تكرار، وكان ناتجها لا يتغير بين التكرارات، يمكن تحريكها خارج الحلقة لأن تأثيرها سيبقى كما هو. يُعرف هذا النوع من التحسين باسم "القضاء التام على التكرار". وهناك تحسين مشابه لكنه أكثر تقدمًا يُعرف باسم "القضاء الجزئي على التكرار" (PRE)، ويهدف إلى إزالة التكرار الذي لا يحدث في جميع المسارات وإنما في بعضها فقط.

وفي هذا السياق، يقوم بإزالة التعليمات التي لن تؤثر على سلوك البرنامج، مثلًا، التعريفات التي ليس لها استخدامات، والتي تسمى الكود الميت. يؤدي هذا إلى تقليل حجم الكود والتخلص من العمليات الحسابية غير الضرورية.

تحليل العوامل الثابتة ( ثوابت الحلقة )

الانشطار الحلقي أو التوزيع الحلقي

وعلى صعيد آخر، تقنية أخرى تحاول تقليل تكلفة الحلقة. عندما تتكرر حلقتان متجاورتان نفس العدد من المرات بغض النظر عما إذا كان هذا العدد معروفًا في وقت التجميع، فمن الممكن دمج أجسامهما طالما لا تشير إلى بيانات بعضهما البعض.

ومن جهة أخرى، تحاول عملية انشطار الحلقة تقسيم الحلقة إلى حلقات متعددة على نفس نطاق المؤشر مع أخذ كل حلقة جديدة جزءًا فقط من جسم الحلقة الأصلية. يمكن أن يؤدي هذا إلى تحسين موقع المرجع لكل من البيانات التي يوصل إليها داخل الحلقة والرمز الموجود في نص الحلقة.

في هذا الإطار، دمج الحلقات أو الجمع بين الحلقات أو صدم الحلقات أو التشويش على الحلقات

إعادة ترتيب الاختبار

وعلى صعيد آخر، إذا كان لدينا اختباران يشكلان شرطًا لشيء ما، فيمكننا أولاً التعامل مع الاختبارات الأكثر بساطة (مثلًا، مقارنة متغير بشيء ما) ولاحقًا فقط مع الاختبارات المعقدة (مثلًا، تلك التي تتطلب استدعاء وظيفة). تكمل هذه التقنية التقييم الكسول، ولكن يمكن استخدامها فقط عندما لا تعتمد الاختبارات على بعضها البعض. إن اختصار الدلالات قد يجعل هذا الأمر صعبًا.

التوازي التلقائي

كذلك، تسمح عمليات تحسين المتجر التنبؤية بحدوث عمليات المتجر في وقت أبكر مما قد يُسمح به في سياق الخيوط والأقفال. تتطلب العملية طريقة ما لمعرفة مسبقًا القيمة التي ستخزن بواسطة المهمة التي كان يجب أن تتبعها. الغرض من هذا التخفيف هو السماح للمترجم بتحسين أداء أنواع معينة من إعادة ترتيب التعليمات البرمجية التي تحافظ على دلالات البرامج المتزامنة بشكل صحيح.

من جهة ثانية، تحول الحلقة إلى كود متعدد الخيوط أو متجه (أو حتى كليهما) لاستخدام معالجات متعددة في وقت واحد في جهاز متعدد المعالجات (SMP) ذو ذاكرة مشتركة، بما في ذلك الأجهزة متعددة النواة.

إزالة التحقق من الحدود

إضافةً إلى ذلك، تفرض الكثير من اللغات، مثل Java، فحص الحدود لجميع عمليات الوصول إلى المصفوفة. وهذا يشكل عنق زجاجة خطير للأداء في بعض التطبيقات مثل الكود العلمي. يتيح إزالة التحقق من الحدود للمترجم إزالة التحقق من الحدود بأمان في الكثير من المواقف حيث يمكنه تحديد أن الفهرس يجب أن يقع ضمن الحدود الصالحة؛ مثلًا، إذا كان متغير حلقة بسيط.

تحسين إزاحة الفرع (يعتمد على الجهاز)

اختر أقصر إزاحة للفرع الذي يصل إلى الهدف.

تحسينات تعتمد على SSA

وعلى صعيد آخر، تهدف هذه التحسينات إلى أن تُجرى بعد تحويل البرنامج إلى نموذج خاص يسمى "التعيين الفردي الثابت"، حيث يُعين كل متغير في مكان واحد فقط. على الرغم من أن بعضها يعمل بدون SSA، إلا أنها تكون أكثر فعالية مع SSA. تستفيد كذلك الكثير من التحسينات المدرجة في الأقسام الأخرى من عدم وجود تغييرات خاصة، مثل تخصيص السجل.

تحسينات الحلقة

كذلك، تتضمن بعض تقنيات التحسين المصممة في المقام الأول للعمل على الحلقات ما يلي:

وعلى صعيد آخر، يعمل تحسين الحلقة على العبارات التي تشكل حلقة، مثل حلقة for، مثلًا حركة الكود الثابتة للحلقة. يمكن أن يكون لتحسينات الحلقة تأثير كبير لأن الكثير من البرامج تقضي نسبة كبيرة من وقتها داخل الحلقات.: 596

انتشار ثابت الشرط المتفرق

تحسينات مولد الكود

وفي السياق ذاته، يجمع بين الانتشار المستمر، والطي المستمر، وإزالة الكود الميت، ويحسن ما هو ممكن من خلال تشغيلها بشكل منفصل. يقوم هذا التحسين بتنفيذ البرنامج بشكل رمزي، ونشر القيم الثابتة في نفس الوقت وإزالة أجزاء من الرسم البياني لتدفق التحكم التي تجعلها غير قابلة للوصول.

تقسيم الحلقة

في هذا الإطار، تحاول تقسيم الحلقة تبسيط الحلقة أو التخلص من التبعيات من خلال تقسيمها إلى حلقات متعددة لها نفس الهيئات ولكنها تتكرر عبر أجزاء متجاورة مختلفة من نطاق الفهرس. تعتبر تقشير الحلقة حالة خاصة مفيدة، حيث يمكنها تبسيط حلقة ذات تكرار أولي به مشاكل من خلال تنفيذ هذا التكرار بشكل منفصل قبل الدخول إلى الحلقة.

هندسة وحدة المعالجة المركزية المستهدفة

من جانب آخر، عدد السجلات: يمكن استخدام السجلات لتحسين الأداء. يمكن تخزين المتغيرات المحلية في السجلات بدلاً من المكدس. يمكن الوصول إلى النتائج المؤقتة/الوسيطة في السجلات بدلاً من الذاكرة الأبطأ.

إضافةً إلى ذلك، عدد الوحدات الوظيفية: تحتوي بعض وحدات المعالجة المركزية على الكثير من وحدات الحساب والمنطق ووحدات النقطة العائمة التي تسمح لها بتنفيذ تعليمات متعددة في وقت واحد. قد تكون هناك قيود على التعليمات التي يمكن إقرانها بتعليمات أخرى (الاقتران" هو التنفيذ المتزامن لتعليمتين أو أكثر)، وعلى الوحدة الوظيفية التي يمكنها تنفيذ أي تعليمة. كما أن لديهم مشاكل مماثلة للصراعات على خطوط الأنابيب. يمكن جدولة التعليمات بحيث تُحمل الوحدات الوظيفية بالكامل.

وفي السياق ذاته، RISC مقابل CISC: غالبًا ما تحتوي مجموعات تعليمات CISC على أطوال تعليمات متغيرة، وغالبًا ما تحتوي على عدد أكبر من التعليمات المحتملة التي يمكن استخدامها، وقد تستغرق كل تعليمة كميات مختلفة من الوقت. تحاول مجموعات تعليمات RISC الحد من التباين في كل من هذه: عادةً ما تكون مجموعات التعليمات ثابتة في الطول، مع استثناءات قليلة، وعادةً ما يكون هناك عدد أقل من مجموعات السجلات وعمليات الذاكرة، ومعدل إصدار التعليمات (عدد التعليمات المكتملة لكل فترة زمنية، وعادةً ما يكون مضاعفًا صحيحًا لدورة الساعة) عادةً ما يكون ثابتًا في الحالات التي لا يكون فيها زمن انتقال الذاكرة عاملاً. قد تكون هناك عدة طرق لتنفيذ مهمة معينة، وعادةً ما تقدم CISC بدائل أكثر من RISC. يتعين على المترجمين معرفة التكاليف النسبية بين التعليمات المختلفة واختيار أفضل تسلسل للتعليمات (انظر اختيار التعليمات).

ومن جهة أخرى، خطوط الأنابيب: خط الأنابيب هو وحدة المعالجة المركزية مقسمة إلى خط تجميع. يسمح باستخدام أجزاء من وحدة المعالجة المركزية لتعليمات مختلفة عن طريق تقسيم تنفيذ التعليمات إلى مراحل مختلفة: فك تشفير التعليمات، فك تشفير العنوان، جلب الذاكرة، جلب السجل، الحوسبة، تخزين السجل، وما إلى ذلك. يمكن أن تكون إحدى التعليمات في مرحلة تخزين السجل، بينما يمكن أن تكون أخرى في مرحلة جلب السجل. تحدث تعارضات خطوط الأنابيب عندما تعتمد إحدى التعليمات في مرحلة واحدة من خط الأنابيب على نتيجة تعليمات أخرى سابقة لها في خط الأنابيب ولكنها لم تكتمل بعد. يمكن أن تؤدي تعارضات خطوط الأنابيب إلى توقف خطوط الأنابيب : حيث تهدر وحدة المعالجة المركزية الدورات في انتظار حل التعارض. يمكن للمجمعين جدولة التعليمات أو إعادة ترتيبها بحيث تحدث عمليات توقف خط الأنابيب بشكل أقل تكرارًا.

آلة الهدف

علاوةً على ذلك، قد يعتمد إمكانية وضرورة تطبيق تحسينات معينة على خصائص الجهاز المستهدف. تقوم بعض المترجمات مثل GCC و Clang بتحديد معلمات العوامل المعتمدة على الآلة بحيث يمكن استخدامها لتحسين أداء الآلات المختلفة.

تحسين وقت الارتباط

ومن جهة أخرى، تحسين وقت الارتباط (LTO)، أو تحسين البرنامج بالكامل، هو فئة أكثر عمومية من التحسين بين الإجراءات. أثناء LTO، يتمتع المترجم بالرؤية عبر وحدات الترجمة مما يسمح له بإجراء تحسينات أكثر عدوانية مثل التضمين عبر الوحدات النمطية وإلغاء المحاكاة الافتراضية.

تقليل القوة

تقنيات محددة

إضافةً إلى ذلك، استبدال العمليات المعقدة أو الصعبة أو المكلفة بأخرى أبسط. مثلًا، استبدال القسمة بثابت بالضرب بمقلوبه، أو استخدام تحليل المتغير الاستقرائي لاستبدال الضرب بمؤشر الحلقة بالجمع.

تخصيص السجل

وفي هذا الصدد، ينبغي الاحتفاظ بالمتغيرات الأكثر استخدامًا في سجلات المعالج لتحقيق أسرع وصول. للعثور على المتغيرات التي يجب وضعها في السجلات، يُنشئ رسم بياني للتداخل. كل متغير هو رأس وعندما يُستعمل متغيرين في نفس الوقت (لهما مدى حي متقاطع) يكون لديهم حافة بينهما. لون هذا الرسم البياني باستخدام خوارزمية Chaitin، مثلًا، باستخدام نفس عدد الألوان كما هو الحال في السجلات. إذا فشلت عملية التلوين، يُرسل متغير واحد إلى الذاكرة وإعادة محاولة التلوين.

ضغط الماكرو

علاوةً على ذلك، تحسين المساحة الذي يتعرف على التسلسلات المشتركة من التعليمات البرمجية، وينشئ برامج فرعية ("ماكرو التعليمات البرمجية") تحتوي على التعليمات البرمجية المشتركة، ويستبدل حدوثات تسلسلات التعليمات البرمجية المشتركة باستدعاءات للبرامج الفرعية المقابلة. يُنفذ ذلك بشكل أكثر فعالية باعتباره تحسينًا للكود الآلي، عندما يكون الكود بأكمله موجودًا. أُستعملت هذه التقنية لأول مرة للحفاظ على المساحة في تيار البايت التفسيري المستعمل في تنفيذ Macro Spitbol على أجهزة الكمبيوتر الصغيرة. من المعروف أن مشكلة تحديد مجموعة مثالية من وحدات الماكرو التي تقلل المساحة المطلوبة لجزء معين من التعليمات البرمجية هي مشكلة NP-complete، ولكن الأساليب الفعّالة تحقق نتائج شبه مثالية.

ترقيم القيمة العالمية

وفي السياق ذاته، يقوم GVN بإزالة التكرار من خلال إنشاء رسم بياني لقيمة البرنامج، ثم تحديد القيم التي تُحسب بواسطة التعبيرات المكافئة. يمكن لـ GVN تحديد بعض التكرار الذي لا يستطيع القضاء على التعبير الفرعي الشائع تحديده، والعكس صحيح.

موازاة

ومن جهة أخرى، إعادة ترتيب العمليات للسماح بإجراء عمليات حسابية متعددة بالتوازي، إما على مستوى التعليمات أو الذاكرة أو الخيط.

النطاق المحلي مقابل النطاق العالمي

من جانب آخر، تستعمل تحسينات النطاق المحلي معلومات محلية لكتلة أساسية. نظرًا لأن الكتل الأساسية لا تحتوي على عبارات تدفق التحكم، فإن عمليات التحسين هذه تتطلب الحد الأدنى من التحليل، مما يقلل من الوقت ومتطلبات التخزين. ومع ذلك، لا يُحتفظ بأي معلومات عبر القفزات.

وفي السياق ذاته، تحصل عادةً عمليات تحسين "ثقب الباب" في المراحل المتأخرة من عملية الترجمة، وتحديدًا بعد توليد الكود الآلي. يعتمد هذا النوع من التحسين على فحص عدد محدود من التعليمات المتجاورة، كما لو أنك تنظر من خلال "ثقب باب" إلى جزء صغير من الكود، بهدف اكتشاف إمكانية استبدال هذه التعليمات بتعليمة واحدة أو تسلسل أقصر وأكثر كفاءة.: 554 مثلًا، قد يُنفذ عملية ضرب قيمة باثنين بكفاءة أكبر عن طريق تحريك القيمة إلى اليسار أو عن طريق إضافة القيمة إلى نفسها (يعتبر هذا المثال كذلك مثالًا على تقليل القوة).

من جانب آخر، تعمل عمليات تحسين النطاق العالمي، المعروفة كذلك باسم عمليات التحسين داخل الإجراء، على وظائف فردية. وهذا يمنحهم مزيدًا من المعلومات للعمل بها، ولكنه غالبًا ما يجعل إجراء الحسابات المكلفة أمرًا ضروريًا. يجب إجراء أسوأ الافتراضات عند حدوث استدعاءات الوظائف أو عند الوصول إلى المتغيرات العالمية نظرًا لقلة المعلومات المتوفرة عنها.

من جهة ثانية، المُصرّف المحسِّن هو نوع من المترجمات يقوم بتحسين الكود الناتج لجعله أكثر كفاءة من حيث الأداء أو استخدام الموارد. يصف النطاق مقدار الكود المدخل الذي يؤخذ بعين الاعتبار عند تطبيق هذه التحسينات، فقد يشمل تعليمة واحدة، أو دالة كاملة، أو حتى البرنامج بأكمله.

فك الحلقة

من جهة ثانية، يؤدي إلغاء التكرار إلى تكرار نص الحلقة عدة مرات لتقليل عدد المرات التي يُختبر فيها حالة الحلقة وعدد القفزات؛ يمكن أن تؤثر الاختبارات والقفزات سلبًا على الأداء من خلال إضعاف خط أنابيب التعليمات. تحسين "القفزات الأقل". يؤدي إلغاء لف الحلقة بالكامل إلى التخلص من جميع النفقات العامة، ولكنه يتطلب معرفة عدد التكرارات في وقت التجميع.

خط أنابيب البرمجيات

من جانب آخر، تُعاد هيكلة الحلقة بطريقة يُقسم فيها العمل المنجز في التكرار إلى عدة أجزاء وينجز على مدار عدة تكرارات. في حلقة ضيقة، تعمل هذه التقنية على إخفاء زمن الوصول بين تحميل القيم واستخدامها.

الترامبولين

ومن ناحية أخرى، تحتوي الكثير من وحدات المعالجة المركزية على تعليمات استدعاء مختصرة مخصصة للوصول إلى مواقع الذاكرة المنخفضة، حيث تكون هذه التعليمات أصغر حجمًا من التعليمات العادية. يمكن للمترجم الاستفادة من ذلك لتقليل حجم البرنامج من خلال استخدام هذه الاستدعاءات الصغيرة داخل الكود الرئيسي. كما أن تعليمات القفز التي تعمل ضمن نطاق الذاكرة المنخفضة تتيح الوصول إلى الروتينات الموجودة في أي عنوان داخل هذه المنطقة، مما يتيح للمترجم تحقيق توفير إضافي في المساحة من خلال تحليل ذكي للكود واختيار التعليمات الأنسب.

هندسة الآلة

ومن ناحية أخرى، معدلات نقل ذاكرة التخزين المؤقت/الذاكرة: توفر للمترجم مؤشرًا للعقوبة المترتبة على أخطاء ذاكرة التخزين المؤقت. يُستعمل بشكل رئيسي في التطبيقات المتخصصة.

وفي هذا الصدد، حجم ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية ونوعها (مُعينة مباشرة، 2-/4-/8-/16-way ترابطية، ترابطية كاملة): قد تؤدي التقنيات مثل التوسعة المضمنة وفك الحلقة إلى زيادة حجم الكود الناتج وتقليل محلية الكود. قد يتباطأ البرنامج بدرجة كبيرة إذا لم يعد قسم من الكود المستعمل بكثرة (مثل الحلقات الداخلية في الخوارزميات المختلفة) مناسبًا للذاكرة المؤقتة نتيجة للتحسينات التي تزيد من حجم الكود. فضلًا عن ذلك، فإن ذاكرات التخزين المؤقت التي لا تكون ارتباطية بالكامل لديها فرص أعلى لحدوث تصادمات في ذاكرات التخزين المؤقت حتى في ذاكرة التخزين المؤقت غير الممتلئة.

عكس الحلقة

علاوةً على ذلك، يعكس عكس الحلقة الترتيب الذي يعين به القيم لمتغير الفهرس. يعد هذا تحسينًا دقيقًا يمكن أن يساعد في التخلص من التبعيات وبالتالي تمكين التحسينات الأخرى. علاوة على ذلك، في بعض المعماريات، يساهم عكس الحلقة في جعل الكود أصغر، كما هو الحال عندما يُقلل مؤشر الحلقة، فإن الشرط الذي يجب استيفاؤه لكي يتمكن البرنامج الجاري تشغيله من الحلقة هو المقارنة مع الصفر. غالبًا ما تكون هذه تعليمات خاصة بدون معلمات، على عكس المقارنة برقم، والتي تحتاج إلى الرقم للمقارنة به. لذلك، توفر عدد البايتات اللازمة لتخزين المعلمة عن طريق استخدام عكس الحلقة. علاوةً على ذلك، إذا تجاوز رقم المقارنة حجم كلمة المنصة، في ترتيب الحلقة القياسي، ستكون هناك حاجة إلى تنفيذ تعليمات متعددة لتقييم المقارنة، وهو ما لا يحدث مع عكس الحلقة.

تحسينات تدفق البيانات

في هذا الإطار، تعتمد تحسينات تدفق البيانات، استنادًا إلى تحليل تدفق البيانات، بشكل أساسي على كيفية انتشار خصائص معينة للبيانات بواسطة حواف التحكم في رسم تدفق التحكم. وتشمل بعض هذه الأمور ما يلي:

التوسع المضمن أو التوسع الكلي

من جانب آخر، عندما يستدعي بعض التعليمات البرمجية إجراءً ما، فمن الممكن إدراج نص الإجراء مباشرة داخل التعليمات البرمجية المستدعية بدلاً من نقل التحكم إليه. يؤدي هذا إلى توفير النفقات العامة المتعلقة باستدعاءات الإجراءات، فضلاً عن توفير فرصة للعديد من التحسينات المختلفة الخاصة بالمعلمات، ولكن يأتي ذلك على حساب المساحة؛ حيث يُكرر نص الإجراء في كل مرة يُستدعى الإجراء بشكل مضمن. بشكل عام، يعد التضمين مفيدًا في التعليمات البرمجية المهمة للأداء والتي تقوم بإجراء عدد كبير من الاستدعاءات للإجراءات الصغيرة. هذا هو تحسين "القفزات الأقل". وتُعد عبارات لغات البرمجة الآمرة كذلك مثالًا على هذا النوع من التحسين. على الرغم من أنه من الممكن تنفيذ العبارات باستخدام استدعاءات الوظائف، إلا أنه تُنفذ دائمًا على وجه التقريب باستخدام تضمين التعليمات البرمجية.

اختيار التعليمات

وفي هذا الصدد، توفر أغلب البنى التحتية، وخاصة بنى CISC وتلك التي تحتوي على الكثير من أوضاع العنونة، عدة طرق مختلفة لإجراء عملية معينة، باستخدام تسلسلات مختلفة تمامًا من التعليمات. تتمثل مهمة محدد التعليمات في القيام بعمل جيد بشكل عام في اختيار التعليمات التي سيُنفذ أي مشغلين بها في التمثيل المتوسط منخفض المستوى. مثلًا، في الكثير من المعالجات في عائلة 68000 وهندسة x86، يمكن استخدام أوضاع العنونة المعقدة في عبارات مثل lea 25(a1,d5*4), a0، مما يسمح لتعليمة واحدة بأداء قدر كبير من العمليات الحسابية مع مساحة تخزين أقل.

إزالة المتجر الميت

من جهة ثانية، إزالة التعيينات للمتغيرات التي لم تُقرأ لاحقًا، إما بسبب انتهاء عمر المتغير أو بسبب تعيين لاحق سيؤدي إلى استبدال القيمة الأولى.

تحسين كود الآلة والكائن

من جهة ثانية، تتشارك أغلب لغات البرمجة عالية المستوى في بنيات وتجريدات برمجية مشتركة، مثل بنيات التفرع (if، switch)، وبنيات التكرار (for، while)، وبنيات التغليف (الهياكل، الكائنات). وبالتالي، يمكن استخدام تقنيات تحسين مماثلة عبر اللغات. ومع ذلك، فإن بعض ميزات اللغة تجعل بعض التحسينات صعبة. مثلًا، تجعل المؤشرات في C وC++ تحسين المصفوفة أمرًا صعبًا؛ راجع تحليل الأسماء المستعارة. ومع ذلك، فإن اللغات مثل PL/I التي تدعم كذلك المؤشرات تنفذ تحسينات للمصفوفات. وعلى العكس من ذلك، فإن بعض ميزات اللغة تجعل بعض التحسينات أسهل. مثلًا، في بعض اللغات، لا يُسمح للوظائف بأن يكون لها آثار جانبية. لذلك، إذا قام البرنامج بإجراء عدة استدعاءات لنفس الوظيفة بنفس الوسائط، يمكن للمترجم أن يستنتج أن نتيجة الوظيفة تحتاج إلى الحساب مرة واحدة فقط. في اللغات التي يُسمح فيها للوظائف بأن يكون لها آثار جانبية، يمكن للمترجم تقييد مثل هذا التحسين على الوظائف التي يمكنه تحديد أنها لا تحتوي على أي آثار جانبية.

غير معتمد على اللغة مقابل مستقل عن اللغة

ومن ناحية أخرى، يتضمن تحسين كود الآلة استخدام محسن كود الكائن لتحليل البرنامج بعد ربط جميع أكواد الآلة. تصبح التقنيات مثل ضغط الماكرو، الذي يحافظ على المساحة عن طريق تكثيف تسلسلات التعليمات الشائعة، أكثر فعالية عندما تكون صورة المهمة القابلة للتنفيذ بالكامل متاحة للتحليل.

تحليل الكود

من جانب آخر، إذا كانت عدة تسلسلات من التعليمات البرمجية متطابقة، أو يمكن تحديد معلماتها أو إعادة ترتيبها لتكون متطابقة، فيمكن استبدالها باستدعاءات إلى برنامج فرعي مشترك. يمكن أن يشارك هذا في كثير من الأحيان الكود لإعداد البرنامج الفرعي وأحيانًا التكرار الذيلي.

إلغاء تبديل الحلقة

وفي هذا السياق، يؤدي إلغاء التبديل إلى نقل الشرط من داخل حلقة إلى خارجها عن طريق تكرار جسم الحلقة داخل كل من جملتي if وelse في الشرط.

تحسينات بين الإجراءات

إضافةً إلى ذلك، يعد تحسين الإجراءات المتبادلة أمرًا شائعًا في المترجمات التجارية الحديثة من SGI وIntel وMicrosoft وSun Microsystems. لفترة طويلة، أُنتقد GCC مفتوح المصدر بسبب افتقاره إلى التحليلات والتحسينات القوية بين الإجراءات، على الرغم من أن هذا يتحسن الآن. هناك كذلك مُجمِّع مفتوح المصدر آخر يحتوي على بنية أساسية كاملة للتحليل والتحسين وهو Open64.

في هذا الإطار، تعمل عملية التحسين بين الإجراءات على البرنامج بأكمله، عبر حدود الإجراءات والملفات. ويعمل بشكل وثيق مع نظرائه داخل الإجراءات، ويُنفذ بالتعاون بين جزء محلي وجزء عالمي. تتضمن عمليات التحسين بين الإجراءات النموذجية تضمين الإجراءات، وإزالة الكود الميت بين الإجراءات، وانتشار الثوابت بين الإجراءات، وإعادة ترتيب الإجراءات. كما هو الحال عادة، يحتاج المترجم إلى إجراء تحليل بين الإجراءات قبل إجراء التحسينات الفعلية. تتضمن التحليلات البينية تحليل الأسماء المستعارة، وتحليل الوصول إلى المصفوفة، وبناء رسم بياني للمكالمات.

ومن ناحية أخرى، بسبب الوقت والمساحة الإضافية المطلوبة للتحليل بين الإجراءات، فإن أغلب المترجمين لا يقومون به بشكل افتراضي. يتعين على المستعملين استخدام خيارات المترجم بشكل صريح لإخبار المترجم بتمكين التحليل بين الإجراءات وغيره من التحسينات المكلفة.

نظرية التوظيف الكامل

• التجميع في الوقت المناسب (JIT)
• طريقة كيلدال
• تحسين موجه بالملف الشخصي
• تحسين البرنامج
• مراجع

إعادة التجسيد

وفي هذا السياق، تعمل عملية إعادة التجسيد على إعادة حساب القيمة بدلاً من تحميلها من الذاكرة، مما يؤدي إلى إزالة إمكانية الوصول إلى الذاكرة. يُنفذ ذلك بالتزامن مع تخصيص السجل لتجنب الانسكابات.

تاريخ

وفي السياق ذاته، كان اهتمام المترجمين الأوائل في ستينيات القرن العشرين منصبًا في المقام الأول على تجميع الكود بشكل صحيح أو فعال، بحيث كانت أوقات التجميع مصدر قلق كبير. كان أحد برامج التجميع المبكرة الجديرة بالملاحظة هو برنامج تجميع IBM FORTRAN H في أواخر الستينيات.: 737 كان أحد أقدم وأهم المترجمين المحسنين، والذي كان رائدًا للعديد من التقنيات المتقدمة، هو BLISS (1970)، والذي وصف في تصميم المترجم المحسن (1975).: 740, 779 بحلول أواخر الثمانينيات من القرن العشرين، أصبحت برامج التجميع المُحسَّنة فعالة بدرجة كافية لدرجة أن البرمجة بلغة التجميع تراجعت. وقد تطور هذا مع تطوير شرائح RISC وميزات المعالج المتقدمة مثل المعالجات الفائقة، والتنفيذ خارج الترتيب، والتنفيذ المضاربي، والتي صممت لتستهدف من خلال تحسين المترجمين بدلاً من الكود التجميعي المكتوب بواسطة الإنسان.

• قائمة تحليلات الكود الثابتة
• تحليل الاسم المستعار
• تحليل المؤشر
• تحليل الشكل
• تحليل الهروب
• تحليل الوصول إلى المصفوفة
• تحليل الاعتماد
• تحليل تدفق التحكم
• تحليل تدفق البيانات
• تحليل سلسلة الاستخدام والتعريف
• تحليل المتغيرات الحية
• تحليل التعبير المتاح
• انظر كذلك
• كفاءة الخوارزمية
• تنفيذ الوظيفة في وقت التجميع

المعلومات الأكثر دقة هي الأفضل

إضافةً إلى ذلك، كلما كانت المعلومات التي يمتلكها المترجم أكثر دقة، كلما كان قادرًا على استخدام أي أو كل تقنيات التحسين هذه بشكل أفضل.

تقليل ارتفاع المكدس

في هذا الإطار، قم بإعادة ترتيب شجرة التعبير لتقليل الموارد اللازمة لتقييم التعبير.

التقييم الجزئي

تحسينات أخرى

علاوةً على ذلك، يمكن تقييم العمليات الحسابية التي تنتج نفس الناتج بغض النظر عن المدخلات الديناميكية في وقت التشغيل في وقت التجميع.

استغلال التسلسل الهرمي للذاكرة

وفي هذا السياق، أصبحت عمليات الوصول إلى الذاكرة أكثر تكلفة بشكل متزايد لكل مستوى من مستويات التسلسل الهرمي للذاكرة، لذا ضع العناصر الأكثر استخدامًا في السجلات أولاً، ثم ذاكرة التخزين المؤقت، ثم الذاكرة الرئيسية، قبل الانتقال إلى القرص.

إعادة ترتيب العمليات الحسابية

ومن ناحية أخرى، بناءً على البرمجة الخطية الصحيحة، تعمل إعادة هيكلة المترجمين على تعزيز محلية البيانات وكشف المزيد من التوازي عن طريق إعادة ترتيب العمليات الحسابية. قد تقوم المجمِّعات التي تعمل على تحسين المساحة بإعادة ترتيب الكود لإطالة التسلسلات التي يمكن تضمينها في البرامج الفرعية.

تحسين نداء الذيل

من جهة ثانية، في اللغات التي من الشائع فيها تطبيق سلسلة من التحويلات على قائمة، تحاول إزالة الغابات إزالة بناء هياكل البيانات الوسيطة.

علاوةً على ذلك، تستهلك مكالمة الوظيفة مساحة المكدس وتتضمن بعض النفقات العامة المتعلقة بتمرير المعلمات وتنظيف ذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات. يمكن تحويل خوارزميات التكرار الذيلي إلى تكرار من خلال عملية تسمى إزالة التكرار الذيلي أو تحسين استدعاء الذيل.

إزالة الغابات (دمج بنية البيانات)

تحليل المتغيرات الاستقرائية

وفي السياق ذاته، على وجه التقريب، إذا كان المتغير في الحلقة عبارة عن دالة خطية بسيطة لمتغير الفهرس، مثل j := 4*i + 1، ويمكن تحديثه بشكل مناسب في كل مرة يُغير متغير الحلقة. يعد هذا تقليلًا للقوة وقد يسمح كذلك لتعريفات متغير الفهرس بأن تصبح كودًا ميتًا. تُعد هذه المعلومات مفيدة كذلك للتحقق من الحدود والتحليل الإقصائي والتبعي، من بين أمور أخرى.

التحسين بين الإجراءات

في هذا الإطار، تُجري عمليات التحسين بين الإجراءات تحليلاً يشمل جميع وحدات البرنامج المصدرية، وليس فقط داخل دالة واحدة. كلما توفرت معلومات أكثر عن البرنامج ككل، أصبحت فرص تطبيق تحسينات فعالة أكبر. من بين هذه التحسينات، تضمين الوظيفة، حيث يُستبدل استدعاء الدالة بنسخة مباشرة من محتوى الدالة نفسها، مما يقلل من كلفة الاستدعاء ويسمح بتحسينات إضافية على الكود الناتج.

خيط القفز

علاوةً على ذلك، في هذا التحسين، تُدمج القفزات الشرطية المتتالية التي تعتمد كليًا أو جزئيًا على نفس الشرط.

في هذا الإطار، if ( c ) { foo ; } if ( ! c ) { bar ; } إلى if ( c ) { foo ; } else { bar ; }.

ومن جهة أخرى، مثلًا، if ( c ) { foo ; } if ( c ) { bar ; } إلى if ( c ) { foo ; bar ; }،

إزالة التعبير الفرعي المشترك

من جهة ثانية، في التعبير (a + b) - (a + b)/4، يشير "التعبير الفرعي المشترك" إلى التعبير المكرر (a + b). يدرك المترجمون الذين يطبقون هذه التقنية أن (a + b) لن يتغير، لذا يحسبون قيمته مرة واحدة فقط.: 592–594

تصنيف الأسماء المستعارة وتحليل المؤشرات

كذلك، في وجود المؤشرات، من الصعب إجراء أي تحسينات على الإطلاق، نظرًا لأنه من المحتمل أن يُغير أي متغير عند تعيين موقع ذاكرة إليه. من خلال تحديد المؤشرات التي يمكنها أن تكون بمثابة أسماء بديلة للمتغيرات، يمكن تجاهل المؤشرات غير ذات الصلة.