Большинство современных компиляторов выполняют еще один этап компиляции – оптимизацию результирующей программы (или просто “оптимизацию”), чтобы повысить ее эффективность насколько это возможно.
Оптимизация программы – это обработка, связанная с переупорядочиванием и изменением операций в компилируемой программе с целью получения более эффективной результирующей объектной программы. Оптимизация выполняется на этапах подготовки к генерации и непосредственно при генерации объектного кода.
В качестве показателей эффективности результирующей программы можно использовать два критерия: объем памяти, необходимый для выполнения результирующей программы (для хранения всех ее данных и кода), и скорость выполнения (быстродействие) программы. Далеко не всегда удается выполнить оптимизацию так, чтобы удовлетворить обоим этим критериям. Зачастую сокращение необходимого программе объема данных ведет к уменьшению ее быстродействия, и наоборот. Поэтому для оптимизации обычно выбирается либо один из упомянутых критериев, либо некий комплексный критерий, основанный на них. Выбор критерия оптимизации обычно выполняет непосредственно пользователь в настройках компилятора.
Но даже выбрав критерий оптимизации, в общем случае практически невозможно построить код результирующей программы, который бы являлся самым коротким или самым быстрым кодом, соответствующим входной программе. Дело в том, что нет алгоритмического способа нахождения самой короткой или самой быстрой результирующей программы, эквивалентной заданной исходной программе. Эта задача в принципе неразрешима. Все, что можно сделать на этапе оптимизации, – это выполнить над заданной программой последовательность преобразований в надежде сделать ее более эффективной.
Чтобы оценить эффективность результирующей программы, полученной с помощью того или иного компилятора, часто прибегают к сравнению ее с эквивалентной программой (программой, реализующей тот же алгоритм), полученной из исходной программы, написанной на языке ассемблера. Лучшие оптимизирующие компиляторы могут получать результирующие объектные программы из сложных исходных программ, написанных на языках высокого уровня, почти не уступающие по качеству программам на языке ассемблера. Обычно соотношение эффективности программ, построенных с помощью компиляторов с языков высокого уровня, к эффективности программ, построенных с помощью ассемблера, составляет 1,1—1,3, т.е. объектная программа, построенная с помощью компилятора с языка высокого уровня, обычно содержит на 10 – 30 % больше команд, чем эквивалентная ей объектная программа, построенная с помощью ассемблера, а также выполняется на 10 – 30 % медленнее.
Оптимизацию можно выполнять на любой стадии генерации кода, начиная от завершения синтаксического разбора и вплоть до последнего этапа, когда порождается код результирующей программы. Если компилятор использует несколько различных форм внутреннего представления программы, то каждая из них может быть подвергнута оптимизации, причем различные формы внутреннего представления ориентированы на различные методы оптимизации. Таким образом, оптимизация в компиляторе может выполняться несколько раз на этапе генерации кода.
Принципиально различаются два основных вида оптимизирующих преобразований:
· преобразования исходной программы (в форме ее внутреннего представления в компиляторе), не зависящие от результирующего объектного языка;
· преобразования результирующей объектной программы.
Первый вид преобразований не зависит от архитектуры целевой вычислительной системы, на которой будет выполняться результирующая программа. Обычно он основан на выполнении хорошо известных и обоснованных математических и логических преобразований, производимых над внутренним представлением программы.
Второй вид преобразований может зависеть не только от свойств объектного языка, но и от архитектуры вычислительной системы, на которой будет выполняться результирующая программа. Так, например, при оптимизации может учитываться объем кэш-памяти и методы организации конвейерных операций центрального процессора. В большинстве случаев эти преобразования сильно зависят от реализации компилятора и являются “ноу-хау” производителей компилятора. Именно этот тип оптимизирующих преобразований позволяет существенно повысить эффективность результирующего кода.
Методы преобразования программы зависят от типов синтаксических конструкций исходного языка. Теоретически разработаны методы оптимизации для многих типовых конструкций языков программирования. Оптимизация может выполняться для следующих типовых синтаксических конструкций:
· линейных участков программы;
· логических выражений;
· циклов;
· вызовов процедур и функций;
· других конструкций входного языка.
