编译原理 第5章 代码优化

第5章代码优化第5章代码优化5.1局部优化5.2循环优化5.3代码优化示例第5章代码优化优化概述提高代码质量的技术称为代码优化，代码质量是由目标代码所占空间和执行速度衡量。根据代码优化是否涉及具体的计算机来划分，代码优化可分为两大类：（1）与机器有关的优化这类优化一般在目标代码上进行，具体的有对寄存器的优化、多处理机的优化、特殊指令的优化等（有时因为这种优化只观察中间代码或目标代码的相邻部分，并对其进行优化，所以又称为窥孔优化）。第5章代码优化（2）与机器无关的优化这种优化在中间代码上进行，根据优化对象所涉及的程序范围，又分为局部优化、循环优化和全局优化等。通常为了使优化不依赖于目标机器的特性，主要的优化工作在中间代码上进行。第5章代码优化5.1局部优化局部优化是指对代码的每一个线性部分所进行的优化，使得在这个线性部分只存在一个入口和一个出口，而这个线性部分我们称之为基本块。第5章代码优化5.1.1基本块的划分方法所谓基本块，是指程序中一顺序执行的语句序列，其中只有一个入口和一个出口，入口就是该序列的第一个语句，出口就是该序列的最后一个语句。对一个基本块来说，执行时只能从其入口进入，从其出口退出。对一个给定的程序，我们可以把它划分为一系列基本块，在各个基本块范围内进行的优化称为局部优化。第5章代码优化划分基本块的关键问题是准确定义入口和出口语句。下面我们给出划分四元式程序为基本块的算法：(1)从四元式序列确定满足以下条件的入口语句：①四元式序列的第一个语句；②能由条件转移语句或无条件转移语句转移到的语句；③紧跟在条件转移语句后面的语句。(2)确定满足以下条件的出口语句：①下一个入口语句的前导语句；②转移语句(包括转移语句自身)；③停语句(包括停语句自身)。第5章代码优化例如，考察下面求最大公因子的三地址代码程序：(1) readX(2) readY(3) R=X%Y(4) ifR=0goto(8)(5) X=Y(6) Y=R(7) goto(3)(8) writeY(9) halt第5章代码优化5.1.2基本块的DAG表示DAG(DirectedAcyclicGraph)是一种有向图，常常用来对基本块进行优化。一个基本块的DAG是一种其结点带有下述标记或附加信息的DAG：(1)图的叶结点(无后继的结点)以一标识符(变量名)或常数作为标记，表示该结点代表该变量或常数的值。如果叶结点用来表示一变量A的地址，则用addr(A)作为该结点的标记。通常把叶结点上作为标记的标识符加上下标0，以表示它是该变量的初值。第5章代码优化(2)图的内部结点(有后继的结点)以一运算符作为标记，表示该结点代表应用该运算符对其直接后继结点所代表的值进行运算的结果。(3)图中各个结点上可能附加一个或多个标识符，表示这些变量具有该结点所代表的值。第5章代码优化一个基本块由一个四元式序列组成，且每一个四元式都可以用相应的DAG结点表示。图5–1给出了不同四元式和与其对应的DAG结点形式。图中，各结点圆圈中的ni是构造DAG过程中各结点的编号，而各结点下面的符号(运算符、标识符或常数)是各结点的标记，各结点右边的标识符是结点上的附加标识符。除了对应转移语句的结点右边可附加一语句位置来指示转移目标外，其余各类结点的右边只允许附加标识符。除对应于数组元素赋值的结点(标记为[]=)有三个后继外，其余结点最多只有两个后继。第5章代码优化n1BA(1)A＝Bn2n1ABop(2)A＝opBn1Bn2Cn3opA(3)A＝BopCn1Bn2Cn3＝[](4)A＝B[C]n1Bn2Cn3rop(S)(5)ifBropCgoto(S)n1Dn3n4(6)D[C]＝Bn2＝[]CBn1(S)(7)goto(S)图5–1四元式与DAG结点第5章代码优化利用DAG进行基本块优化的基本思想是：首先按基本块内的四元式序列顺序将所有的四元式构造成一个DAG，然后按构造结点的次序将DAG还原成四元式序列。由于在构造DAG的同时已作了局部优化，所以最后所得到的是优化过的四元式序列。第5章代码优化为了DAG构造算法的需要，我们将图5–1中的四元式按照其对应结点的后继结点个数分为四类：(1)0型四元式：后继结点个数为0，如图5–1(1)所示；(2)1型四元式：有一个后继结点，如图5–1(2)所示；(3)2型四元式：有两个后继结点，如图5–1(3)、(4)、(5)所示；(4) 3型四元式：有三个后继结点，如图5–1(6)所示。第5章代码优化我们规定：用大写字母(如A、B等)表示四元式中的变量名(或常数)；用函数Node(A)表示A在DAG中的相应结点，其值可为n或者无定义，并用n表示DAG中的一个结点值。这样，每个基本块仅含0、1、2型四元式的DAG构造算法如下(对基本块的每一个四元式依次执行该算法)：第5章代码优化(1)若Node(B)无定义，则构造一标记为B的叶结点并定义Node(B)为这个结点，然后根据下列情况做不同处理：①若当前四元式是0型，则记Node(B)的值为n，转(4)。②若当前四元式是1型，则转(2)①。③若当前四元式是2型，则：i.如果Node(C)无定义，则构造一标记为C的叶结点，并定义Node(C)为这个结点；ii.转(2)②。第5章代码优化(2)①若Node(B)是以常数标记的叶结点，则转(2)③，否则转(3)①。②若Node(B)和Node(C)都是以常数标记的叶结点，则转(2)④，否则转(3)②。③执行opB(即合并已知量)，令得到的新常数为P。若Node(B)是处理当前四元式时新建立的结点，则删除它；若Node(P)无定义，则构造一用P做标记的叶结点n并置Node(P)=n；转(4)。④执行BopC(即合并已知量)，令得到的新常数为P。若Node(B)或Node(C)是处理当前四元式时新建立的结点，则删除它；若Node(P)无定义，则构造一用P做标记的叶结点n并置Node(P)=n；转(4)。第5章代码优化(3)①检查DAG中是否有标记为op且以Node(B)为惟一后继的结点(即查找公共子表达式)。若有，则把已有的结点作为它的结点并设该结点为n；若没有，则构造一个新结点；转(4)。②检查DAG中是否有标记为op且其左后继为Node(B)、右后继为Node(C)的结点(即查找公共子表达式)。若有，则把已有的结点作为它的结点并设该结点为n；若没有，则构造一个新结点；转(4)。第5章代码优化(4)若Node(A)无定义，则把A附加在结点n上并令Node(A)=n；否则，先从Node(A)的附加标识符集中将A删去(注意，若Node(A)是叶结点，则不能将A删去)，然后再把A附加到新结点n上，并令Node(A)=n。第5章代码优化例5.3构造以下基本块的DAG。(1)T0=3.14(2)T1=2*T0(3)T2=R+r(4)A=T1*T2(5)B=A(6)T3=2*T0(7)T4=R+r(8)T5=T3*T4(9)T6=R-r(10)B=T5*T6第5章代码优化[解答]按照算法顺序处理每一四元式后构造出的DAG如图5–2所示，其中每一子图(1)、(2)、…、(10)分别对应四元式(1)～(10)的DAG构造。第5章代码优化n1T03.14(a)T0=3.14n3n1n2T16.283.142*(b)T1=2*T0T0n5n3n4T2Rr+(c)T2=R+rn1T03.14n2T16.28n5n3n4T2Rr+(d)A=T1*T2n1T03.14n2T16.28n6A*n5n3n4T2Rr+(e)B=An1T03.14n2T16.28n6A,B*图7.9由四元式构造DAG第5章代码优化n5n3n4T2Rr+(f)T3=2*T0n1T03.14n2T1,T36.28n6A,B*n5n3n4T2,T4Rr+(g)T4=R+rn1T03.14n2T1,T36.28n6A,B*n5n3n4T2,T4Rr+(h)T5=T3*T4n1T03.14n2T1,T36.28n6A,B,T5*n5n3n4T2,T4Rr+(i)T6=R-rn1T03.14n2T1,T36.28n6A,B,T5*n7T6-第5章代码优化n5n3n4T2,T4Rr+(j)B=T5*T6n1T03.14n2T1,T36.28n6A,T5*n7T6-n8*B第5章代码优化n6n1n2T0T1,T3n3n4n5n7n8B*A,T5T6T2,T4*＋－3.146.28Rr(10)B＝T5*T6(9)T6＝R－rn6n1n2T0T1,T3n3n4n5A,B,T5T2,T4*＋3.146.28Rr(8)T5＝T3*T4n6n1n2T0T1,T3n3n4n5n7A,B,T5T6T2,T4*＋－3.146.28Rrn6n1n2T0T1,T3n3n4n5A,BT2,T4*＋3.146.28Rr(7)T4＝R＋r(6)T3＝2*T0n6n1n2T0T1n3n4n5A,BT2*＋3.146.28Rr(5)B＝An6n1n2T0T1,T3n3n4n5A,BT2*＋3.146.28Rrn6n1n2T0T1n3n4n5AT2*＋3.146.28Rr(4)T4＝T1*T2(3)T3＝R＋rn1T0n1n2n3T1*3.143.142(2)T1＝2*T0n1n2T0T1n3n4n5T2＋3.146.28Rr6.28(1)T0＝3.14图5–2DAG第5章代码优化构造过程说明如下：(1)对应图5–2(2)，四元式T1=2*T0首先执行算法中的步骤(1)，因Node(B)无定义，所以构造一个标记为2的叶结点并定义Node(2)为这个结点；因当前四元式是2型且Node(C)已有定义(此时为Node(T0))，转算法步骤(2)②；因Node(B)=Node(2)和Node(C)=Node(T0)都是标记为常数的叶结点，则执行BopC并令新结点为P(=6.28)；由于Node(P)无定义，故构造Node(P)=Node(6.28)；第5章代码优化此外，因Node(B)=Node(2)是处理当前四元式时新构造出来的结点，故删除n2；接下来执行算法步骤(4)，因Node(A)无定义而将T1附加在结点n3上，并令Node(T1)=6.28；最后DAG生成了2个结点n1和n3，因结点n2被删除而将n3改名为n2。图5–2(2)的形成过程实际上也是合并已知量的优化过程。(2)图5–2(4)中T1、T2已有定义，则仅生成一个新结点n6并将A附加在n6上。图5-2(5)中结点B已有定义，故直接附加在n6上。第5章代码优化(3)图5–2(6)的处理过程与图5–2(2)略同，但在生成P时因其已在DAG中(即Node(6.28))，故不生成新结点而直接将T3附加在结点6.28上。(4)图5–2(7)的生成过程实质上是删除多余运算(删除公共子表达式)的优化。因为DAG中已有叶结点R与叶结点r，并且执行op操作后得到的新结点T2也已经在DAG中，故执行算法步骤(4)时因T4无定义而将T4附加在结点n5上。第5章代码优化(5)图5–2(9)中，变量R和r已在DAG中有相应的结点，执行“−”操作后，产生的新结点P无定义，故仅生成一个新结点n7并将T6标记于其上。(6)图5–2(10)中，对当前四元式B=T5*T6，DAG中已有结点T5和T6；执行算法步骤(4)时因结点B已有定义且不是叶结点，故先将原B从DAG中删除，然后生成一个新结点n8，将B附加其上并令Node(B)=n8。这一处理过程实质上是删除了无用赋值B=A。第5章代码优化5.1.3利用DAG进行基本块的优化处理利用DAG进行基本块优化处理的基本思想是：按照构造DAG结点的顺序，对每一个结点写出其相应的四元式表示。我们根据例5.1DAG结点的构造顺序，按照图5–2(10)写出四元式序列G' 如下：第5章代码优化第5章代码优化根据DAG结点的构造顺序，按照图7.9（j），写出相应四元式：(1)T0=3.14(2)T1=6.28(3)T3=6.28(4)T2=R+r(5)T4=T2(6)A=6.28*T2(7)T5=