Межпроцедурная оптимизация

Межпроцедурная оптимизация (англ. Interprocedural Optimization, IPO), или полнопрограммная оптимизация программ (англ. whole program optimization) — оптимизация компилятора, которая использует глобальный анализ потока управления и затрагивает множество процедур, даже находящихся в разных модулях, за счёт чего может достигаться существенный прирост быстродействия.

С ростом объёма программ разработчики стали делать свой код всё более удобочитаемым и повторно используемым. Зачастую это приводит к тому, что процедуры становятся предельно общими, в то время как в конкретной программе можно обойтись и частным случаем. Задача межпроцедурной оптимизации — именно генерация таких частных случаев.

Межпроцедурная оптимизация выполняется компилятором автоматически (иногда с указанием специальных директив). Её активация может приводить к существенному увеличению времени компиляции. К компиляторам, умеющим выполнять указанную оптимизацию, относятся MLton и MLKit для Standard ML, Stalin^[англ.] для Scheme, JHC для Haskell, Intel C++ Compiler.

Примеры

Замена параметра функции константой

Пройдя по коду, компилятор убеждается, что один из параметров всегда константа, и уничтожает его.

Было

void DoSomething(Object* aObj, int aParam)
{
  if (aObj==NULL)
    throw logic_error("aObj==NULL");
  cout << "DoSomething(" << aObj->name() << "," << aParam << ")" << endl;
}

int main()
{
  Object obj1, obj2;

  DoSomething(&obj1, 1);
  DoSomething(&obj2, 1);

  return 0;
}

Стало

void DoSomething(Object* aObj)
{
  if (aObj==NULL)
    throw logic_error("aObj==NULL");
  cout << "DoSomething(" << aObj->name() << "," << 1 << ")" << endl;
}

int main()
{
  Object obj1, obj2;

  DoSomething(&obj1);
  DoSomething(&obj2);

  return 0;
}

Замена виртуального вызова статическим

Здесь компилятор убеждается, что все реально выполняющиеся виртуальные вызовы ведут к вызову одной и той же функции. Вместо того, чтобы обращаться к таблице виртуальных методов, компилятор делает прямой вызов функции.

В том же примере, если Object::name() — виртуальный метод, оптимизированная функция будет выглядеть так.

void DoSomething(Object* aObj)
{
  if (aObj==NULL)
    throw logic_error("aObj==NULL");
  cout << "DoSomething(" << Object::name(aObj) << "," << 1 << ")" << endl;
}

Удаление незадействованного кода

После удаления получится:

void DoSomething(Object* aObj)
{
  cout << "DoSomething(" << Object::name(aObj) << "," << 1 << ")" << endl;
}

Заодно может происходить чистка таблиц виртуальных методов.

Инлайнинг

Если функция используется однократно, она напрямую включается в то место, из которого она вызывается.

Небольшие функции также можно напрямую включать в вызывающий код.

Многие языки программирования (Паскаль, Java, D) не имеют ключевого слова inline, и решение инлайнировать функцию принимается оптимизатором (в случае Java — обфускатором).

Было

inline int DoSomething(int aParam)
{
  return aParam * aParam;
}

int main()
{
  int x = 2;
  int y = 3;
  
  cout << x << "^2=" << DoSomething(x) << ", " << y << "^2=" << DoSomething(y) << endl;

  return 0;
}

Стало

int main()
{
  int x = 2;
  int y = 3;
  
  cout << x << "^2=" << x*x << ", " << y << "^2=" << y*y << endl;

  return 0;
}

Ссылки

Thomas C. Spillman, «Exposing side effects in a PL/I optimizing compiler», in Proceedings of IFIPS 1971, North-Holland Publishing Company, pages 376—381.
Frances E. Allen, «Interprocedural Data Flow Analysis», IFIPS Proceedings, 1974.
Frances E. Allen, and Jack Schwartz, «Determining the Data Flow Relationships in a Collection of Procedures», IBM Research Report RC 4989, Aug. 1974.
Philip Abrams, «An APL Machine», Stanford University Computer Science Department, Report STAN-CS-70-158, February, 1970.
Terrence C. Miller, «Tentative Compilation: A Design for an APL Compiler», Ph.D. Thesis, Yale University, 1978.