JPH03127127A

JPH03127127A - コンピュータプログラムの最適化方法

Info

Publication number: JPH03127127A
Application number: JP24018390A
Authority: JP
Inventors: John K P O'brien; ジョン・ケビンパトリック・オブライエン
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-10-12
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1991-05-30
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPH0612525B2; EP0422398A3; EP0422398A2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】Ａ、産業上の利用分野この発明はコンピュータプログラムのコンパイルに係り
、より具体的には、コンピュータプログラムの最適化に
関するものである。特に、コンピュータプログラムの命
令ループからの不変分岐の除去方法を提案する。

Ｂ、従来技術及びその課題］ンピュータプログラムを高水準言語（Ｆｏｒｔｒａｎ
、　ｐａｓｃａｌ、　Ｃ）で書いた後、このプログラム
を、コンピュータで実行される一連の機械語命令に変換
するために、通常は、コンパイラプログラムを使用して
いる。これらの機械語命令は目的コードとも呼ばれる。

高水準言語で書かれたプログラムを目的コードで表現す
るには種々の方法がある。

特に、高水準言語プログラムの目的コード翻訳方法のう
ち、幾つかのものは、他のものより高速で動作する。そ
のために、コンパイルシステムは、コード最適化と呼ば
れる手続きを行うように構成されていることが多い。コ
ード最適化とは、プログラムをより少ない時間で実行で
きるように目的コードを改良する技術である。

コード最適化は多くの方法で達成できる。反復計算は削
除することができる。変化する事のない変数は、定数に
置き換えることができる。ループ反復の如何にかかわら
ず、常に同一に評価されるループ内の表現はループの外
へ移動させることができる。

コード最適化の分野において特に関心のもたれる分野は
、プログラムループ、すなわ−ちプログラム中の反復部
分の動作時間を短縮することである。コンピュータプロ
グラムは比較的多くの時間をループ内の命令の実行に費
やしているので、ループの実行時間を短縮できるコード
最適化方法があれば、コンピュータプログラム全体の実
行時間の改善に極めて有効である。

ループ実行を改善するための共通の方法は、ループを回
っている間は、常に同一結果を生じさせる計算を、ルー
プの実行直前のコンピュータプログラム内の成る点に再
配置することである。このようにすれば、ループに入っ
た時に一度だけ計算を行えば良く、ループの反復の度に
行う必要はない。この様な計算がループ不変と呼ばれる
。

米国特許第４．５６７．５７４号（Ｓａａｄｅ他）はＰ
ＥＲＦＯＲＭステートメントを含むＣ０ＢＯＬソースプ
ログラムを最適化するための方法に関するもので、手続
き用コードまたは簡略化リンケージコードをＰＥＲＦＯ
ＲＭステートメントに代えて用いている。

米国特許第４，６５６．５８２号（ｃｈａｉｔｉｎ他）
は「コードモーション」及び「共通部分表現除去」、を
利用する最適化方法に関するもので、メモリ内の値また
はテンポラリレジスタの値を利用しうる命令のために、
その最適化方法によって、命令が属する文脈にとって最
善の命令形態を選択するようにしている。

米国特許第４．７７３．００７号（Ｋａｓａｄａ他）は
アレイエメントの相互依存をプログラムコード最適化に
先立つものとして決定するための、データフロー分析方
法に関するものである。

Ｃ０発明の概要及び解決課題この発明は、ループ不変の条件付分岐命令を含むコンピ
ュータプログラムを最適化する事によって作用する。−
旦、最適化されれば、コンピュータプログラムは、それ
が最適化される前よりも短時間で実行される。

この発明では、命令が入っているコンピュータプログラ
ムからループ不変の条件付分岐命令を除去する方法につ
いて述べられている。

この発明の作用は下記の一連のステップでなされる。第
１に、プログラムの各ループが調べられ。内側ループを
その外側ループの前に、ループ不変である条件付分岐命
令を位置決めするために検査される。条件がループ不変
計算のみから成る各条件付分岐は、この分岐が不変であ
る最も外側のループの外側に書換えられる。この移動さ
れた分岐は、その条件が第１の所定の論理的な値と評価
される場合、それを初めに含んでいたループの周囲の分
岐に変更される。不変分岐が無条件分岐として書き換え
られるループの新たなコピーが作成される。この分岐と
コピーされたループ内の他の全ての分岐はコピーされた
ループの先頭に関連して変更される。ループのオリジナ
ルコピー中、不変分岐が削除され、オリジナルコピーが
実行されたとき、新たなコピーを飛び越すために、別の
分岐が変更されたオリジナルループの後に挿入される。

最後に選択的ステップとして、上述の変換の結果として
実行されることのないプログラムの部分が削除される。

Ｄ、実施例後述のこの発明の説明に用いられる用語について次に定
義する。

強連結領域（ＳＣＲ−Ｓｔｒｏｎｇｌｙ　Ｃｏｎｎｅｃ
ｔｅｄＲｅｇｉｏｎ）有向グラフであって、グラフ中の２つの点（Ａ）、（Ｂ
）ごとに、（Ａ）から（Ｂ）へのパスと（Ｂ）から（Ａ
）へのパスとがあるものを言う。第１図は、強連結グラ
フを示す。このグラフは、グラフ中の各点から他の各点
へのパスがあるので、強く連結されている。第２図は強
連結されていないグラフの例である。このグラフは、例
えば、点ｄから点ａへのパスが無いので、強連結されて
いない。

強連結領域外に先行部を有する点が一つだけある強連結
領域を言う。単エントリー強連結領域はループの共通プ
ログラミング概念に相当する。第３図は単エントリー強
連結領域を含むグラフの例である。このグラフは、点ｅ
から強連結サブグラフａ、　　ｇ、　　ｃ、　　ｄへの
唯一のパスが点ａを通っているので５ＥＳＣＲを示して
いる。第４図は単エントリー強連結でないグラフの例で
ある。このグラフは、強連結領域外に先行部をもつ分岐
点が２つあるから（即ち、点ｆは点すの先行部であり、
分岐点ｅは点ａの先行部である’）　、５ＥＳＣＲは示
していない。

領域定数（ＲＣＲｅｇｉｏｎ　Ｃｏｎ５ｔａｎｔ）ＳＥ
ＳＣＲに関して、５ＥＳＣＲで計算されない値を言う。

第３図で、点ｅは領域定数を示している。

関節点（ＡＮ−Ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｎｏｄｅ）
サブグラフの各探索ごとに立ち寄るべきサブグラフの点
を言う。第１図では、点ａとｄとが関節点である。

述語（Ｐｒｅｄｉｃａｔｅ）条件付命令の行動を決定する数学的関係を言う。

条件コード（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　Ｃｏｄｅ）ある値が
、負、ゼロ、正のいずれであるかの表示である。

コンピュータプログラムの最適化過程では、条件付分岐
命令を、これを始めに含んでいたループ外の点に再配置
することが望ましい。これは例えば、条件付分岐命令が
ループ不変性を示しているとき、すなわち、ループの反
復にかかわらずそれが同一の評価を受けるときに生じる
。この様なループ実行直前の点へのステートメントの再
配置は、反復性を有し、不要な評価を低減する。例えば
、高性能な分岐予測ハードウェアを持たないパイプライ
ンコンピュータシステムでは、条件付分岐命令がプロセ
ッサの実用性を大いに減殺する。

従って、プログラムの実行中に遭遇する条件付分岐命令
の数を減少させることにより、プログラム実行時間に対
する主要な改善方向のインパクトを達成することができ
る。

後述するこの発明の実施例では、不変な条件付分岐命令
を有する１つのループが２つのループに変換される。第
１のループはオリジナルループであり、第２のループは
このオリジナルループの正確なコピーである。しかし、
第２のループでの分岐の分岐先は、第２のループの先頭
に関連して修正される。第１のループでは、条件付分岐
命令が削除され、その位置には何も入れない。第２のル
ープでは、条件付分岐命令が無条件分岐命令に置き換え
られる。元の条件付分岐命令の条件はいずれかのループ
にエントリーされる前に評価してもよい。この条件が偽
であると評価された場合は、第１の新たに作成されたル
ープが実行される。そうでない場合は、第２の新たに作
成されたループが実行される。このように、条件は、ル
ープの反復ごとに評価する方法とは異なり、−度だけ評
価される。この方法は、非スイッチングと称される。

この発明の動作を第５図に示す。最適化のためのコンピ
ュータプログラム分析を行う前に、プログラムをフロー
グラフとして表すことが望ましい（ステップ１００）。

この発明の一実施例は、このタスク行うためにＴａｒｊ
ａｎアルゴリズムを用いているが、どのフローグラフ構
築方法でも採用できる。ＴａｒｊａｎアルゴリズムはＳ
ＩＡＭ　Ｊ、　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇｌ：２の第１４６−
１６０頁に掲載されたｒＤｅｐｔｈ　ｆｉｒｓｔ　５ｅ
ａｒｃｈ　ａｎｄ　１ｉｎｅａｒ　ｇｒａｐｈ　ａｌｇ
ｏｒｉｔｈｍｓ　（深さ優先探索と線形グラフアルゴリ
ズム）」と題するＲ、　Ｅ、　Ｔａｒｊａｎの論文に記
載されている。

フローグラフをいったん作成してしまえば、プログラム
中の最適化の目的とされるループを識別することができ
る。これは、フローグラフの５ＥＳＣＲを位置決めする
ことにより（ステップ２００）、達成される。この発明
の実施例では、上記Ｔａｒｊａｎの論文に述べられたア
ルゴリズムを用いることにより、５ＥＳＣＲが識別して
いるが、他のいかなる５ＥＳＣＲ識別アルゴリズムでも
利用できる。

ステップ３００では、５ＥＳＣＲ中の各計算値が、それ
が属するループに関して計算が不変であるかどうかを決
定するために評価される。この特性を有する計算には、
その意味のマークが付される。

計算は、もしそれがプログラムの有向グラフ表現内の領
域定数として特徴付けられれば、不変である。

領域定数の識別方法は公知である。この発明の実施例は
、下記アルゴリズムを用いている。第１のステップでは
、ここで、参考としてとりいれたＡｄｄｉｓｏｎ　Ｗｅ
ｓｌｅｙ　１９７９号第４５４−４７１頁に記載された
Ａ、　Ａｈｏ他によるｒＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆ　Ｃ
ｏｍｐｌｉｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　（コンパイラ設計の原
理）」第１３章に記載された不変なコードの移動を行う
。次に、フローグラフ各５ＥＳＣＲごとに、プログラム
によって計算されたすべての結果を検討中の領域用ワー
キングセットに挿入する。そして、その領域内の各基本
ブロック（フローグラフの点）が検索し、そのブロック
で行われた各計算を作業セットから除去する。その領域
のすべてのブロックを検査したら、そのワーキングセッ
トに残った計算が領域定数である。

領域定数を識別した後、この最適化過程の次のステップ
は、不変な述語に依存する分岐が決定される。各領域の
点の数が決定される（ステップ４００）。第５図Ａ及び
第５図Ｂのフローチャートは簡略化のため、一つの５Ｅ
ＳＣＲについて実行される動作のみを示しているが、こ
の発明の典型的な実施例は、有向の最も内側の５ＥＳＣ
Ｒから外側に向かって、全５ＥＳＣＲが検討されるもの
である。５ＩＥＳＣＲ内の各点を検討するに当たり（ス
テップ５００）、単一点領域は内側分岐を持たないから
無視しても良い。ラッチ点（ループヘッダの先行部に位
置するループ中の点）も無視しても良い。

どの分岐が不変性であるかを決定するには、少なくとも
２つの方法がある。ここで用いる方法は、条件コード値
が他のコード最適化処理によってコンピュータプログラ
ム内に前もって移動されていたかどうかに依存している
（ステップ６゜０）。

最適化処理によって条件コード計算をループ外に移動さ
せた場合、領域定数であるかどうかを決定するために、
分岐の条件部が検討される（ステップ８００）。もしそ
の分岐（ブランチ）の条件部が領域定数（ＲＣ）である
ならば、条件付分岐命令はそれが属するループに関して
不変である（頁接続記号Ａを介してステップ９００）。

そうでない場合は、その点が無視され、次の点が評価さ
れる（ステップ８１Ｏ）。

条件コード計算が移動されてなかった場合は、分岐の条
件オペランドを計算する各命令への各入力値が検討され
る（ステップ８５０）。もし各入力値が分析中のループ
に関して不変であれば、この条件部はこのループに対し
て不変である（頁接続記号Ａを介してステップ９００）
。

そうでない場合は、そのループの次の点が検討される（
ステップ８６０）。ある分岐命令が、これが属するルー
プに関して不変であれば、その位置が記録され（ステッ
プ９２０）、不変性が成り立つ最も外側のループを決定
するためのサーチが行われる（ステップ９４０）。これ
は、ステップ９２０で記録されたものに隣接する点に領
域定数アルゴリズム（上述しである）を適用することに
よって行われる（頁接続記号Ａを介してステップ１０５
０）。このようにして、その分岐が、それが不変である
ループ外の点に移動され、もって、上述したようにプロ
グラム実行時間を短縮する。

この最外端ループの位置は記録される（ステップ１００
０）。

この発明、の一実施例では、コンピュータプログラムの
命令ループの関節点である場合にのみその点が評価され
る。しかし、この制限は省いても良いと考えられる。関
節点を見出すためのアルゴリズムはグラフ論の分野では
公知である。

最適化用のループが識別された後、最適化を達成するた
めに、コンピュータプログラムを書き換えてもよい。各
ループはその識別の順序と反対の順序で処理される。

ステップ１１００では、最適化を要すると識別されたル
ープがコピーされ、そのループの二つのコピーが生じる
。不変な条件分岐が虚偽であると評価された場合、この
ループの第１のコピーが実行される。この不変な条件分
岐が真実であると評価された場合は、上記ループの第２
コピーが実行される。第２コピーの作成に当たり、その
コピー内の分岐の分岐先がこのループの先頭に関連して
修正される。

ステップ１２００では、条件付分岐命令がプログラム中
のループのオリジナルコピーの前に挿入される。この条
件付分岐命令の分岐先は、ループの第２コピーのスター
トアドレスとなるように修正される（ステップ１３００
）。

ステップ１４００では、複製のループの第１コピー内に
配置された条件付分岐命令が除去され、その箇所には何
も挿入されない。

ステップ１５００では、複製のループのうちの第１、第
２コピー間に無条件分岐命令が挿入される。この分岐の
分岐先は、複製のループの第２コピーの直後の命令であ
る。このようにして、第１ループの実行の完了時に、プ
ログラム実行が第２ループを飛び越して、非修正プログ
ラム中のオリジナルループに続く命令に移動する。

ステップ１６００では、ループの第２コピーに位置する
条件付分岐命令が無条件分岐に置き換えられる。この分
岐の分岐先は、元の条件付分岐命令の目標である。

最後にステップ１７００で、最適化の結果、適正なプロ
グラム動作に不要となったコード（到達できないコード
）が削除される。この目的を達成するためには種々の適
宜のアルゴリズムを使用できるが、その一つがここで参
考としたところのＡｄｄｉｓｏｎ　Ｗｅｓｌｅｙ　１９
７９．第５４９−５５０頁に掲載された、Ａ、　Ａｈｏ
他によるｒＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｉｌ
ｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　　（コンパイラ設計の原理）」の
第１５章に記載されている。

以下に第５図Ａ及び第５図Ｂに関連して上述のアルゴリ
ズムの動作を示す。

５０００５０００００００９９ＢＲＡＮＣＨ０ＮＢＲＡＮＣＨＴＯＡＢＥＬＡＢＩＥＬＥＮＤ　ＬＯＯＰＳＴＡＴＥＭＥＮＴＴＯＰＣＯＮＤＩＴＩＯＮ　ＴＯ２５００００００５０００５０００００４０５０ＢＲＡＮＣＨＯＮ　Ｃ０ＮＤＩＴＩＯＮＳＴＡＲＴ　Ｌ
ＯＯＰ（ネＢＲＡＮＣＨＤＥＬＥＴＥＤ＊）ＢＲＡＮＣＨＴｏ　３００ＡＢＥＬＡＢＥＬＥＮＤ　ＬＯＯＰＢＲＡＮＣＨ７００ＳＴＡＲＴ　ＬＯＯＰＴ。

５０５０００５０８０ＬＡ兜ＬＥＮＤ　ＬＯＯＰ八に示したプログラム例が第６図Ａにグラフとして示さ
れている。このプログラムは、自身が属するループに対
して不変である分岐命令を含んでいる。

Ａ中の第１００−４００行に示したループは複製されて
Ｂ中の第１００−４００行及び第４５０−６８０行に現
れることがわかる。ループの複製に当たっては、複製ル
ープ内の分岐の分岐先がこのループの先頭に関連して修
正される。Ｂ中の第５０行で、条件付分岐命令がコンピ
ュータプログラム中でいずれかのループのコードの前に
置かれる。Ｂ中の第１５０行で、条件付分岐命令が削除
され、第５００行で、前のＡの分岐命令がそのループの
第２コピー内の無条件分岐に置き換えられる。この分岐
の分岐先は、これが属するループの先頭に関連して同一
である。

Ｄは、到達できないコードが除去された後の最適化され
たプログラムを例示している。このＤのプログラムは、
グラフ的には、第６図Ｂに示される。第２５０行の命令
は、第２００行の命令がこれを飛び越すので、到達でき
ないとされる。同様に、第６００行の命令は、第５５０
行の命令がこれを飛び越すので、到達できないとされる
。

この発明は、例示的実施例をもって説明したが、特許請
求の範囲に照らして適宜変更可能であることは言うまで
もない。

Ｅ０発明の効果上述の如く、この発明によればループ不変の条件付分岐
命令の除去によって効率のよいプログラムの実行を達成
する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図及び第４図はこの発明の動作説
明のためのグラフを示す図、第５図Ａ及び第５図Ｂはこ
の発明の一実施例の動作説明に用いるフローチャート、
第６図Ａ及び第６図Ｂはコンビユニタブログラムの一例
を表すグラフを示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも１個の命令ループを含むコンピュータ
プログラムであって、命令ループが条件部と分岐部とを
有する第１の条件付分岐命令を有し、上記条件部が上記
命令ループに関して不変であることを内容とするコンピ
ュータプログラムの実行時間を短縮するための、下記ス
テップから成る方法（ａ）上記第１の条件付分岐命令を識別し、（ｂ）上記第１の条件付分岐命令を、命令ループの直前
のコンピュータプログラム内の位置に複写して、条件付
分岐命令の第２のコピーを生成し、（ｃ）命令ループを複写して、条件付分岐命令の第３の
コピーを含む命令ループのコピーを生成し、命令ループ
の後のコンピュータプログラム内位置に命令ループのコ
ピーを挿入し、（ｄ）条件付分岐命令の第２のコピーの分岐部を修正し
て、命令ループのコピーに向けて分岐させ、（ｅ）命令ループのコピー部に分岐させるため、条件付
分岐命令を命令ループのコピーの前のコンピュータプロ
グラム内位置に挿入し、（ｆ）第１条件付分岐命令を削除する。
（２）第３の条件付分岐命令を無条件分岐命令に変更す
るステップを更に含んでなる、請求項（１）記載の方法
。
（３）上記ステップ（ａ）が、命令ループに関して不変
である計算を命令ループから除去するステップの前に置
かれる、請求項（１）記載の方法。
（４）上記命令ループが１又は２以上の外側ループ内に
含まれ、上記ステップ（ｂ）が、第１の条件付分岐命令
の条件部が不変である最も外側のループの直前のコンピ
ュータプログラム内位置に、第１の条件付分岐命令を複
写するステップを含んでなる、請求項（１）記載の方法
。
（５）ステップ（ａ）ないし（ｆ）が、命令ループに対
して不変である条件部を有する命令ループ内の各条件付
分岐命令毎に反復される、請求項（１）記載の方法。
（６）コンピュータプログラムが複数の命令ループから
成り、ステップ（ａ）が、（ａ１）上記第１条件付分岐命令の識別のため、上記命
令ループ中の一つを選択し、（ａ２）上記第１の条件付分岐命令が選択された命令ル
ープ内に識別されないときに、別の命令ループを評価す
る各ステップからなる、請求項（１）記載の方法。
（７）コンピュータプログラム中の不要部分を削除する
ステップを更に含んで成る、請求項（１）記載の方法。
（８）ステップ（ａ）が、（ａ１）コンピュータプログラムをフローグラフとして
表現し、（ａ２）このフローグラフを評価して、上記第１の条件
付分岐命令が命令ループに関して不変であることを識別
する各ステップからなる、請求項（１）記載の方法。
（９）ステップ（ａ１）が、（ａ３）命令ループ用領域定数を識別し、（ａ４）識別された領域定数の少なくとも一つによって
上記第１条件付分岐命令が制御されたことを識別する各
ステップから成る、請求項（８）記載の方法。
（１０）上記第１条件付分岐命令が、フローグラフによ
って強連結領域の関節点として表現されたときにのみ識
別される、請求項（８）記載の方法。
（１１）少なくとも１個の命令ループを含むコンピュー
タプログラムであって、命令ループが条件部と分岐部と
を有する少なくとも１個の条件付分岐命令を有し、上記
命令ループが入力値を含む一組の計算を含み、この計算
の組が条件付分岐の条件部に影響を与える事を内容とす
るコンピュータプログラムの実行時間を短縮するための
、下記ステップからなる方法：（ａ）上記命令ループ中の第１の条件付分岐命令を識別
し、（ｂ）計算の組への入力値を検査して、上記条件付分岐
命令の条件部が命令ループに関して不変であるかを決定
し、（ｃ）命令ループに関して不変である条件付分岐命令が
見つかるまでステップ（ｂ）を反復し、（ｄ）上記不変条件付分岐命令を命令ループの直前のコ
ンピュータプログラム内位置に複写して不変な条件付分
岐命令の第１コピーを生成し、（ｅ）命令ループを複写して、不変な条件付分岐命令の
第２コピーを含むループのコピーを生成し、命令ループ
の後のコンピュータプログラム内位置にループのコピー
を挿入し、（ｆ）条件付分岐命令の第１コピーの分岐部
分をループのコピーに分岐させるように修正し、（ｇ）命令ループのコピー部を分岐させるため、無条件
分岐命令を命令ループのコピーの前のコンピュータプロ
グラム内位置に挿入し、（ｈ）不変な条件付分岐命令を削除する。
（１２）条件付分岐命令の第２コピーを無条件分岐命令
に変更するステップを更に含んで成る、請求項（１１）
記載の方法。