JP2003256214A - 配列拡張によるループ変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】配列拡張を伴うループ分配後にループ交換を適
用するループ変換において、配列拡張した参照が連続参
照となるようなループ変換方法を提供する。 【解決手段】非線型ネストに対するループ分配により複
数の線形ネストを生成し（６０４）、その後ループ分配
により生成された線形ネストに対してループ交換を適用
する（６０８）。ループ分配（６０４）においては、ル
ープ交換コストの評価（１０５）に基づいてループネス
ト順列の決定を行い（１０６）、決定したループネスト
順列において連続参照となるように配列拡張した参照へ
の置換を行う（１０８）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、計算機の利用技術
において、オブジェクトプログラムの実行時間を削減す
るコンパイル方法に関する。特に、ループ分配において
配列拡張を行う場合の最適化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ループ分配とは、ループ中の実行コード
を複数の部分に分割し、それぞれが別のループの実行と
なるようにループを分配して、複数のループに変換する
ループ変換手法である。ループ分配については、中田
「コンパイラの構成と最適化」（朝倉書店）４３６頁か
ら４３８頁に記載されている。

【０００３】多重ループにおいて、最内側ループを除く
全てのループが、その内側にただ１つの一重または多重
ループを含むとき、これを線形ネストと呼ぶ。この条件
を満たさない多重ループ、即ち、多重ループ内に、その
内部に複数のループを含むループが存在するものを非線
形ネストと呼ぶ。

【０００４】非線型ネストは、ループ分配で複数の内部
ループがそれぞれ別ループに含まれるような変換によ
り、線形ネストに変換できる。

【０００５】ループ分配を阻害する配列参照間の依存が
ある場合、この配列の参照を、より多次元の配列（拡張
配列と呼ぶ）の参照に置換することで、ループ分配が適
用可能になることがある。このような変換を配列拡張と
呼ぶ。

【０００６】図８（ａ）にFortranで記述された非線型
ネストのソースプログラムを示す。本例で、外側のLOOP
0をLOOP1とLOOP2に分配して図８（ｂ）のように変換し
た場合、LOOP2内で参照するUの値が元のプログラムと異
なるため、不正な変換となる。そこで、２次元の拡張配
列Wを導入し、1次元配列Uの参照をWで置換する配列拡張
により図８（ｃ）のような正しい変換コードが得られ
る。拡張配列の添え字は、連続参照となるようにループ
のネスト順列に従って設定する。図８の例では、内側ル
ープのループ制御変数がＪが配列の1次元目に現れるよ
うに、W(J,I)のように添え字を設定する。

【０００７】このような変換の例は、日立「HI-UX/MPP
for SR8000 最適化FORTRAN90 使用の手引」(6A30-3-3
11)の１５０頁から１５１頁に記載されている。

【０００８】ループ交換は多重ループにおいて外側ルー
プと内側ループを入れ替えるといった、ループのネスト
順列を変更するループ変換方法である。ループ交換につ
いても、前記中田の文献の４３９頁から４４３頁に記載
されている。ループ交換は主として、非連続な配列参照
を連続参照にするといった、データ参照の局所性向上を
目的に適用する。

【０００９】図９（ａ）のLOOP0とLOOP1のループネスト
においては、配列AとBの参照が非連続になっている。２
つのループを入れ替え図９（ｂ）ように変換すると、A
とBの参照が連続となり、実行性能の向上が図れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図９に示したループ交
換の例で、配列Wは交換前のループで連続参照となって
いるため、交換後には非連続となってしまう。交換後の
ループで配列Wも連続参照となるようにできれば、実行
性能のさらなる向上が図れる。図１０（ａ）は図８
（ａ）と同じソースプログラムを示したものであるが、
これを図１０（ｂ）のように変換して配列Wの参照をW
(I,J)とすれば、ループ交換後のループは図１０（ｃ）
のようになり、配列Wの参照も連続にすることができ
る。

【００１１】本発明の目的は、配列拡張を伴うループ分
配後にループ交換を適用するループ変換において、拡張
配列の参照が連続参照となるようなループ変換方法を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、非線型
ネストに対するループ分配により複数の線形ネストを生
成するループ分配ステップと、ループ分配により生成さ
れた線形ネストに対してループ交換を適用するループ交
換ステップとを有するループ変換方法において、ループ
分配ステップに含まれる、ループ内の配列をより多次元
の配列に置換する配列拡張処理において、ループ交換の
結果を予測するループネスト順列決定ステップと、決定
したループネスト順列において連続参照となるような拡
張配列参照への置換を行うステップにより達成される。
上記ループネスト順列決定ステップでは、ループ分配後
の線形ネストに対するループ交換を想定したループ交換
コストの評価を実施する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。

【００１４】図２は、本発明によるコンパイラが稼動す
る計算機システムの構成図である。この計算機システム
は、ＣＰＵ２０１、ディスプレイ装置２０２、キーボー
ド２０３、主記憶装置２０４、および外部記憶装置２０
５より構成されている。キーボード２０３により、ユー
ザからのコンパイラ起動命令を受け付ける。コンパイラ
終了メッセージやエラーメッセージは、ディスプレイ装
置２０２に表示される。外部記憶装置２０５には、ソー
スプログラム２０６とオブジェクトプログラム２０７が
格納される。主記憶装置２０４には、コンパイラ２０
８、コンパイル過程で必要となる中間コード２０９、ル
ープ表２１０および配列表２１１が格納される。コンパ
イル処理はＣＰＵ２０１がコンパイラプログラム２０８
を実行することにより行われる。

【００１５】図３に、図２のシステムで稼動するコンパ
イラ２０８の処理手順を示す。

【００１６】コンパイラの処理は、構文解析３０１、ル
ープ解析３０２、ループ変換３０３、レジスタ割り付け
３０４、コード生成３０５の順で行う。

【００１７】構文解析３０１では、ソースプログラム２
０６を入力として構文解析を行い、中間コード２０９を
出力する。また配列に関する情報を配列表２１１に登録
する。

【００１８】ループ解析３０２により、プログラムに含
まれるループの集合が求められ、これがループ表２１０
に記録される。ループ解析について、「エイホ、セシ
ィ、ウルマン著：コンパイラ（サイエンス社、１９９０
年）」に記述されている。

【００１９】ループ変換３０３は、本発明の特徴となる
ステップであるので、後で詳細に説明する。

【００２０】レジスタ割り付け３０４では中間コード２
０９の各ノードへのレジスタ割り付けを行う。コード生
成３０５では、中間コード２０９をオブジェクトプログ
ラム２０７に変換し、出力する。

【００２１】図４はループ表２１０の例を示す図であ
る。ループ表は、「ループ番号」欄４０１、「子ルー
プ」欄４０２、「親ループ」欄４０３、「制御変数」欄
４０４、「初期値」欄４０５、「終値」欄４０６、「増
分値」欄４０７から構成されている。

【００２２】「ループ番号」欄には、各ループを特定す
るために、各ループに適宜割り当てられる番号が登録さ
れる。「子ループ」欄にはそのループ内に含まれるルー
プのリストを登録する。子ループが多重ループの場合に
は、最も外側のループを登録する。「親ループ」欄に
は、そのループのすぐ外のループを登録する。「制御変
数」欄にはループ制御変数を登録し、ループ制御変数の
初期値、終値、イタレーション毎の増分値をそれぞれ
「初期値」欄、「終値」欄、「増分値」欄に登録する。
図４のループ表は図８(a)のソースプログラムに対応し
ている。

【００２３】図５は配列表２１１の例を示す図である。
配列表にはプログラム中に出現する配列の情報を登録す
る。「配列名」欄５０１はソースプログラム上の配列名
を示す。「次元数」欄５０２は、配列が何次元かを登録
する。「１次元目」欄５０３には配列の１次元目の要素
の下限と上限の値を登録する。「２次元目」欄５０４に
は同様に配列の２次元目の要素の下限と上限の値を登録
する。３次元目以降についても同様に登録する。配列の
次元に関する情報は配列の宣言文により決定される。図
５の表の配列AからUまでは、図８(a)のソースプログラ
ムに対応している。

【００２４】図６に、本発明によるループ変換の処理手
順を示す。各ステップを説明する。

【００２５】ステップ６０１、６０２、６０３、６０４
によりループ分配最適化を行う。

【００２６】ステップ６０１では、未処理のループがあ
るかどうかを判定し、あればステップ６０２で未処理ル
ープを１つ取り出す。

【００２７】ステップ６０３では、取り出したループが
非線型ネストであるかどうかを判定する。ループ表２１
０の子ループ欄４０２により子ループを順に辿り、子ル
ープが複数登録されているかどうかにより判定できる。
全ループの子ループ数が１以下ならば線形ネスト、子ル
ープ数が２以上のループがあれば非線型ネストと判定す
る。非線型ネストならばステップ６０４に進み、そうで
なければステップ６０１に戻り、次のループの処理に進
む。

【００２８】ステップ６０４では、本発明の最も特徴的
な部分であるループ分配最適化を行う。本ステップの詳
細を図１に従って説明する。

【００２９】ステップ１０１では、ループ分配により線
形ネストとなるように、分配ループと分割点を決定す
る。図１１に一般化した非線型ネストの例を示す。外側
ループから順に複数の子ループを持つループを探す。複
数の子ループを持つのは”DO In”のループであるか
ら、その外側にある”DO I1”から”DO In”までの全ル
ープを分配ループ群とし、子ループへの分配を試みる。
線形ネストを生成するために、”DO In”のループ内の
実行文を複数のパートに分割し、各パート内に子ループ
ネストが１つだけ存在するようにする。図１１の例では
３つのパートに分割している。図８（ａ）のソースプロ
グラムの例では、分配ループはLOOP0、分割点はLOOP1と
LOOP2の２パートに分割することを決定する。

【００３０】ステップ１０２では分割パート間のデータ
依存を調べ、ループ分配を阻害するかどうかを調べる。
ループ分配の依存条件については、前記中田の文献に記
載されている。ループ分配を阻害する依存がない場合に
はステップ１０９へ進み、変換を適用する。ある場合に
はステップ１０３へ進む。図８（ａ）のソースプログラ
ムにおいては、配列Ｕの定義がLOOP1に、使用がLOOP2に
あり、図８（ｂ）で示したようにそのまま分配するとLO
OP2で使用するUの値が不正になることから、ループ分配
を阻害すると判定する。

【００３１】ステップ１０３ではステップ１０２でルー
プ分配を阻害すると判定されたデータ依存に対して、配
列拡張を適用できるかどうかを判定する。図８（ａ）の
ソースプログラムにおいては、１次元の配列Uの各要素
がＩループの繰り返し毎に再定義されることによる依存
がループ分配を阻害している。２次元の配列への配列拡
張を実施すればUの各要素の再定義がなくなり、ループ
分配が適用可能となる。従って本例では配列拡張を適用
できると判定する。

【００３２】ステップ１０４ではループ分配の変換処理
を適用し、非線型ネストを複数の線形ネストへ変換す
る。図８の例では、ループ分配の変換処理により図８
（ｂ）のように変換される。

【００３３】ステップ１０５では、ステップ１０３で配
列拡張を適用すると判定した配列を含む各ループネスト
に対して、ループ交換を想定したコスト評価を行う。n
重ループの最外側ループを１、最内側ループをｎとする
ように外側ループから順に番号付けし、１からｎまでの
数の順列をループ交換後のループネスト順列と考えて、
ループ内の配列参照のコストを評価する。図８のソース
プログラムに対するループ交換コスト評価の例を図７に
示す。配列拡張の対象配列はUで、これを含むループLOO
P1とLOOP2が対象となる。LOOP1に含まれる配列参照はA
(I,J)とB(I,J)である。U(J)は配列拡張の対象であるた
め除外する。本例では、非連続参照のコストを10、連続
参照のコストを1とする。ループネスト順列(1,2)はLOOP
0を外側ループ、LOOP1を内側ループとする元のループ順
列に対応する。A(I,J)、B(I,J)は内側ループで非連続参
照となるからそれぞれのコストは10で合計は20である。
ループネスト順列(2,1)は外側ループがLOOP1、内側ルー
プがLOOP0の場合である。A(I,J)、B(I,J)は内側ループ
で連続参照となり、コストの合計は2である。本ループ
はループ交換において、コストが最小なループネスト順
列(2,1)を選択すると予想される。ループ2についても同
様に評価を行い、図７の結果が得られる。

【００３４】ステップ１０６では、ステップ１０５の結
果に基づき、配列拡張で想定するループネスト順列を決
定する。図７の例では、両ループでネスト順列(2,1)が
選択されるため、これをループネスト順列に決定する。
各ループで選択されるネスト順列が異なる場合には、１
つを選択する。

【００３５】ステップ１０７では、ステップ１０３で配
列拡張の対象に決定した各配列に対して、拡張配列を作
成する。元の配列を含むループがｎ重ループならば、ｎ
次元の拡張配列を作成する。拡張配列の各次元の要素数
は、各ループの繰り返し回数以上であることが必要であ
るから、ループ表の情報に従い決定する。ここで、１次
元目の要素数はステップ１０６で決定したループネスト
順列の最内側ループに基づいて決定し、２次元目はルー
プネスト順列の内側から２番目、ｎ次元目はループネス
ト順列の最外側ループというように、ループネスト順列
に従って決定する。図８の例の場合には、ステップ１０
６で決定したループネスト順列は(2,1)であるから、LOO
P0の制御変数の初期値と終値に合わせ、配列の１次元目
の下限を１、上限をＭとする。２次元目の要素数はLOOP
1とLOOP2の両ループに従い、下限を１、上限をＮとす
る。配列名をＷとして拡張配列を作成した結果を図５に
示している。

【００３６】ステップ１０８では、配列拡張対象の配列
のループ中の参照を、ステップ１０７で作成した拡張配
列の参照で置換する。図８の例では配列Ｕの参照を配列
Ｗの参照で置換する。拡張配列の参照の添え字は、ステ
ップ１０６のループネスト順列に従って生成する。図８
の例では、LOOP1内の参照は、内側ループとなるLOOP0の
制御変数Iが1次元目に、外側ループとなるLOOP1の添え
字が２次元目となるように、W(I,J)とする。拡張配列へ
の置換後の結果は図１０（ｂ）のようになる。

【００３７】以上で図１およびステップ６０４の説明を
終了する。

【００３８】次にステップ６０５からステップ６０８
で、ループ交換を実施する。

【００３９】ステップ６０６では、未処理のループがあ
るかどうかを判定し、あればステップ６０７で未処理ル
ープを１つ取り出す。

【００４０】ステップ６０７では、取り出したループが
線形ネストであるかどうかを判定する。線形ネストかど
うかの判定方法はステップ６０３で説明した通りであ
る。

【００４１】線形ネストならばステップ６０８へ進み、
ループ交換最適化を行う。ループ交換においては、ステ
ップ１０５および図７で説明したのと同様の方法でコス
ト評価を行い、コストが最小となるループネスト順列を
決定する。次に、その順列によるループ交換が正当かど
うか、依存条件の判定を行い、正当ならばループ交換を
適用する。ループ交換の依存条件については、前記中田
の文献に記載されている。図８のソースプログラムの例
では、図１０（ｂ）のループに対してループ交換を適用
した結果、図１０（ｃ）のように変換される。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、ループ分配時の配列拡
張処理においてループ交換を考慮したループネスト順列
を決定し、その順列に従った添え字による拡張配列の参
照に置換する配列拡張を実施することにより、ループ分
配後にループ交換を適用した場合に拡張配列の参照が連
続となり、プログラム実行の高速化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るループ変換方法におけるループ分
配最適化の処理手順を示すフローチャート。

【図２】本発明に係るループ変換方法を実施するコンパ
イラが稼動する計算機システムの構成図。

【図３】本発明に係るループ変換方法を実施するコンパ
イラの処理手順を示すフローチャート。

【図４】ループ表の例を示す図。

【図５】配列表の例を示す図。

【図６】本発明によるループ変換方法の処理手順を示す
フローチャート。

【図７】本発明に係るループ変換方法におけるループ交
換コスト評価の一例を示す図。

【図８】従来技術によるループ分配の適用例を示す図。

【図９】ループ交換の一例を示す図。

【図１０】本発明によるループ変換の適用例を示す図。

【図１１】ループ分配における分割点決定の一例を示す
図。

【符号の説明】

２０８・・・コンパイラ、６０４・・・ループ分配最適
化処理、１０６・・・ループネスト順列決定ステップ、
１０７・・・拡張配列作成ステップ、１０８・・・拡張
配列参照への置換ステップ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一重または多重の外側ループの内部に複数
   の一重または多重の内側ループを包含するループに対し
   て、 複数の内側ループのそれぞれに外側ループを分配して、
   複数の多重ループに変換するループ分配ステップと、 ループ分配ステップにより生成された多重ループに対し
   て、外側ループと内側ループの入れ替えを行うループ交
   換ステップとを有するループ変換方法であって、 ループ分配ステップは、複数の内側ループ内で参照され
   る配列をより多次元に拡張した配列の参照に置換する配
   列拡張ステップを有し、 配列拡張ステップでは、ループ交換ステップによって入
   れ替えられるループ順列の予測に基づくループ順列決定
   ステップと、ループ順列決定ステップの結果に基づき、
   拡張した配列参照の添え字を決定するステップを含むこ
   とを特徴とするループ変換方法。
2. 【請求項２】一重または多重の外側ループの内部に複数
   の一重または多重の内側ループを包含するループに対し
   て、 複数の内側ループのそれぞれに外側ループを分配して、
   複数の多重ループに変換するループ分配ステップと、 ループ分配ステップにより生成された多重ループに対し
   て、外側ループと内側ループの入れ替えを行うループ交
   換ステップとを有するコンパイラであって、ループ分配
   ステップは、複数の内側ループ内で参照される配列をよ
   り多次元に拡張した配列の参照に置換する配列拡張ステ
   ップを有し、 配列拡張ステップでは、ループ交換ステップによって入
   れ替えられるループ順列の予測に基づくループ順列決定
   ステップと、ループ順列決定ステップの結果に基づき、
   拡張した配列参照の添え字を決定するステップを含むこ
   とを特徴とするコンパイラ。
3. 【請求項３】一重または多重の外側ループの内部に複数
   の一重または多重の内側ループを包含するループに対し
   て、 複数の内側ループのそれぞれに外側ループを分配して、
   複数の多重ループに変換するループ分配ステップと、 ループ分配ステップにより生成された多重ループに対し
   て、外側ループと内側ループの入れ替えを行うループ交
   換ステップとを有するプログラムを格納するコンピュー
   タにより読み取り可能な記憶媒体であって、 前記ループ分配ステップは、複数の内側ループ内で参照
   される配列をより多次元に拡張した配列の参照に置換す
   る配列拡張ステップを有し、 配列拡張ステップでは、ループ交換ステップによって入
   れ替えられるループ順列の予測に基づくループ順列決定
   ステップと、ループ順列決定ステップの結果に基づき、
   拡張した配列参照の添え字を決定するステップを含むプ
   ログラムを記憶する記憶媒体。