Генерация высококачественного кода для программ, написанных на СИ

PC Tech Journal разработал тест оптимизации Си (см. листинг 1) как подспорье в оценке оптимизационных возможностей компиляторов Си. Тест проверяет степень оптимизации, проводимой компилятором. Для обеспечения основы для сравнения измерений времени выполнения для каждого компилятора запускался тест исполнения PC Tech Journal с ключами, разрешающими оптимизацию. Результаты его работы для каждого компилятора суммируются в таблице 1. Рисунок 6 демонстрирует опции оптимизации для каждого компилятора, которые использовались при компиляции обоих тестов. Характеристики выполнения программ можно сравнить с измерениями без оптимизации, приведенными в февральском номере за 1988 год (см. стр. 62 и 80).

Целью обоих тестов, исполнения и оптимизации, было получить наиболее быстрый код, который может дать каждый компилятор. Если компилятор предоставляет опции для генерации кода, они выбирались с приоритетом времени выполнения над размером программного кода, генерировались команды микропроцессора 80286 и непосредственные команды сопроцессора 80287, запрещалось проверять переполнение стека. Таким образом, минимальная конфигурация системы, требуемая для запуска тестов в том виде, в каком они компилировались, - машина с процессором 80286 и математическим сопроцессором 80287.

Многие компиляторы также имеют опции для генерации кода процессоров 80186 и NEC V20/V30, которые могут использоваться для машин класса XT (см. "Chips in transitions", Bob Smith, апрель 1986г., стр. 56). Эти процессоры имеют большинство средств 80286, исключая команды защищенного режима, так что сгенерированный для них код совпадает с кодом для 80286.

----------------------------------------------------¬

¦РИСУНОК 6: Командные строки ¦

+---------------------------------------------------+

¦ ¦

¦ BORLAND TURBO C 1.5 ¦

¦ : tcc -1 -f87 -N- -S -O -G -Z -r optbench.c ¦

¦ ¦

¦ COMPUTER INNOVATIONS C86PLUS 1.10 ¦

¦ : cc -DNO_ZERO_DIVIDE=1 -c -FPi87 -Oatx ¦

¦ -G2 -Fa optbench.c ¦

¦ ¦

¦ DATALIGHT OPTIMUM-C 3.14 ¦

¦ : dlc1 optbench.c -f-g ¦

¦ dlg optbench.tmp +vbe +all ¦

¦ dlc2 optbench.tmo ¦

¦ ¦

¦ LATTICE MS-DOS C 3.2 ¦

¦ : lc -d -k2 -f -v optbench.c ¦

¦ ¦

¦ MANX AZTEC C86 4.0 ¦

¦ : cc -A +A -B -T +F +2 +ef optbench.c ¦

¦ ¦

¦ METAWARE HIGH C 1.4 ¦

¦ : hc optbench.c -def NO_ZERO_DIVIDE=1 ¦

¦ pragma Off(Check_stack, Check_subscript) ¦

¦ pragma On(286, asm, auto_reg_alloc) ¦

¦ pragma On(floating_point, optimize_xjmp) ¦

¦ pragma On(optimize_xjmp_space, use_reg_vars) ¦

¦ ¦

¦ MICROSOFT C 5.0 ¦

¦ : cl -DNO_ZERO_DIVIDE=1 -c -G2 -Fc ¦

¦ -Ox optbench.c ¦

¦ ¦

¦ MICROSOFT QUICKC 1.0 ¦

¦ : qcl -c -G2 -FPi87 -Ox d:\optbench.c ¦

¦ ¦

¦ WATCOM C 6.0 ¦

¦ : wcc d:\optbench.c /d1 /oilt /s /2 /7 ¦

+---------------------------------------------------+

¦ Выполняемый код для тестов оптимизации и ¦

¦ исполнения, которые использованы в этой статье, ¦

¦ генерировался с помощью этих командных строк с ¦

¦ указанными директивами компиляторов. ¦

L----------------------------------------------------

Результаты теста исполнения для каждого компилятора в малой и большой моделях памяти приводятся в таблице 1. Тесты в наборе теста исполнения организованы в функции, которые вызывались из главной управляющей процедуры. Весь набор был скомпилирован и отредактирован в один файл EXE. Некоторые из процедур теста выполняются так быстро, что единственный вызов функции невозможно точно измерить. В этих случаях функции вызываются из управляющей процедуры многократно, чтобы увеличить время выполнения для получения возможности количественных измерений. В таблице 1 приводится количество итераций для каждого теста.

--------------------------------------------------------------¬

¦Таблица 1: Результаты оптимизированного теста выполнения ¦

+-------------------------------------------------------------+

¦ COMPUTER ¦

¦ BORLAND INNOVATIONS DATALIGHT ¦

+----------------------T------------T------------T------------+

¦КОМПИЛЯТОР ¦ Turbo C ¦ C86Plus ¦ Optimum-C ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦ВЕРСИЯ ¦ 1.5 ¦ 1.10 ¦ 3.14 ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦ЦЕНА ¦ $99.95 ¦ $497 ¦ $139 ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦РАЗМЕР ПРГРАММЫ(KB) ¦ 35/40 ¦ 30/38 ¦ 33/40 ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦ОБЩИЕ ОПЕРАЦИИ (*) ¦ ¦ ¦ ¦

¦Вызовы функций ¦ 6.0/7.2 ¦ 7.6/8.2 ¦ 6.0/7.6 ¦

¦Целочисл. арифметика ¦ 7.0/7.0 ¦ 8.5/8.5 ¦ 6.3/6.3 ¦

¦Арифм-ка длинных целых¦ 29.0/29.0 ¦ 23.4/23.9 ¦ 26.3/26.9 ¦

¦Индексация ¦ 7.9/9.9 ¦ 7.9/11.4 ¦ 5.9/7.9 ¦

¦Использ-е указателей ¦ 6.2/15.3 ¦ 12.9/19.2 ¦ 6.8/15.3 ¦

¦ С регистровыми ¦ ¦ ¦ ¦

¦ переменными ¦ 6.8/15.2 ¦ 10.3/19.8 ¦ 6.8/15.3 ¦

¦Решето (Sieve) ¦ 5.0/5.0 ¦ 5.8/5.8 ¦ 4.3/3.8 ¦

¦ С регистровыми ¦ ¦ ¦ ¦

¦ переменными ¦ 6.4/6.5 ¦ 4.6/4.6 ¦ 4.3/3.8 ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦ОПЕРАЦИИ С ФАЙЛАМИ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Чтение и запись (**) ¦ ¦ ¦ ¦

¦ С дискеты на дискету¦ 8.2/8.2 ¦ 8.3/8.3 ¦ 8.3/8.2 ¦

¦ С жесткого диска ¦ ¦ ¦ ¦

¦ на жесткий диск ¦ 3.9/3.4 ¦ 3.9/3.9 ¦ 3.9/3.3 ¦

¦Getc и putc (***) ¦ ¦ ¦ ¦

¦ С дискеты на дискету¦ 49.8/50.6 ¦ 45.6/50.1 ¦ !13.5!/49.4¦

¦ С жесткого диска ¦ ¦ ¦ ¦

¦ на жесткий диск ¦ 17.6/18.4 ¦ 18.9/21.1 ¦ !5.5!/17.3 ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦ОПЕРАЦИИ 80x87 ¦ ¦ ¦ ¦

¦Сложение/умножение (*)¦ 3.1/3.1 ¦ 2.8/2.8 ¦ 3.1/3.1 ¦

¦Нат. логарифм (****) ¦ 1.0/1.0 ¦ 1.3/1.3 ¦ 1.3/1.2 ¦

¦Синус/тангенс(****) ¦ 1.1/1.1 ¦ 1.5/1.5 ¦ 1.2/1.3 ¦

+----------------------+------------+------------+------------+

¦ Время измерялось в секундах и приводится для ¦

¦ малой/большой моделей памяти. ¦

¦ Тесты выполнялись на IBM PC/AT с тактовой частотой 6 ¦

¦ мегагерц, с сопроцессором 80287, с параметрами в ¦

¦ CONFIG.SYS FILES = 20 и BUFFERS = 20. ¦

¦ Значения, входящие в 10%-ю окрестность лучшего ¦

¦ результата, заключены в восклицательные знаки. ¦

¦ * - 20 итераций, ** - 1 итерация, *** - 2 итерации, ¦

¦ **** - 10 итераций. ¦

L--------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------¬

¦Таблица 1: Продолжение ¦

+-------------------------------------------------------------+

¦ ¦

¦ LATTICE MANX METAWARE MICROSOFT WATCOM ¦

+---------T---------T---------T---------T---------T-----------+

¦MS-DOS C ¦Aztec C ¦High C ¦ C ¦QuickC ¦WATCOM C ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦3.2 ¦4.0 ¦1.4 ¦5.0 ¦1.0 ¦6.0 ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦$500 ¦$499 ¦$595 ¦$450 ¦$99 ¦$295 ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦34/41 ¦20/24 ¦33/44 ¦28/39 ¦31/44 ¦25/30 ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦7.5/8.1 ¦7.9/8.6 ¦6.9/9.5 ¦6.1/6.0 ¦6.5/7.5 ¦!3.8/4.5! ¦

¦7.7/7.7 ¦9.1/9.2 ¦5.8/5.8 ¦5.3/5.2 ¦6.8/6.8 ¦!3.7/3.8! ¦

¦23.3/24.3¦23.9/24.2¦27.8/29.1¦23.9/24.8¦27.8/28.7¦!20.0/21.0!¦

¦11.0/34.9¦9.0/10.5 ¦7.1/7.8 ¦!4.8!/7.2¦7.9/11.3 ¦5.4/!5.5 ¦

¦12.3/58.5¦12.8/15.3¦5.4/15.3 ¦!5.1!/9.8¦7.8/17.8 ¦6.1/!6.2! ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦12.8/58.6¦7.8/15.3 ¦!5.2!/15.3!5.1!/9.8¦7.7/17.8 ¦5.6/!6.2! ¦

¦7.1/6.9 ¦7.6/7.6 ¦5.4/5.6 ¦4.2/4.3 ¦5.3/5.4 ¦!3.2/3.4! ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦6.9/7.0 ¦5.9/6.1 ¦5.8/6.0 ¦4.2/4.3 ¦6.5/6.5 ¦!3.2/3.4! ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦8.2/8.2 ¦8.3/8.2 ¦8.0/8.0 ¦8.3/8.2 ¦8.2/8.3 ¦8.2/8.2 ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦3.9/3.7 ¦3.9/2.8 ¦!1.0/0.9!¦3.3/3.8 ¦3.9/3.4 ¦3.4/3.4 ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦51.3/51.5¦28.6!27.7!39.8/39.8¦40.0/40.0¦40.0/40.0¦51.2/51.3 ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦21.0/26.0¦12.5!11.0!16.0/15.2¦14.8/15.7¦16.1/16.0¦19.2/20.1 ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦4.7/4.7 ¦2.6/2.6 ¦2.6/2.1 ¦!1.7/1.7!¦3.1/3.0 ¦1.8/1.8 ¦

¦1.3/1.3 ¦1.1/1.1 ¦1.1/1.2 ¦1.0/1.0 ¦1.2/1.3 ¦!0.9/0.9! ¦

¦1.9/1.9 ¦1.3/1.3 ¦1.1/1.2 ¦1.1/1.1 ¦1.3/1.4 ¦!1.0/1.0! ¦

+---------+---------+---------+---------+---------+-----------+

¦ Компиляторам задавались ключи для оптимизации по ¦

¦ скорости, использования непосредственных инструкций ¦

¦ процессоров 80286 и 80287. Все тесты, интенсивно ¦

¦ использующие процессор, были выиграны компиляторами ¦

¦ WATCOM и Microsoft. Не нашлось компилятора, код которого ¦

¦ для тестов ввода/вывода выполнялся бы во время, близкое к ¦

¦ лучшему, в малой и в большой моделях памяти одновременно. ¦

L--------------------------------------------------------------

При сравнении результатов в таблице 1 и в номере за февраль 1988 необходимо отметить одно изменение. Два теста с использованием регистровых переменных (использования указателей и "решето"-sieve) в феврале были измерены для 100 итераций, а не для 20-ти. Поскольку полезно непосредственное сравнение тестов с использованием регистровых переменных и без их использования, тесты с регистровыми переменными в данном случае запускались с 20-ю итерациями. Также заметьте, что численные тесты, присутствующие в таблице 1, выполнялись для прямого кода процессоров 80x87 в малой и большой моделях памяти, а не с помощью программного эмулятора.

Поскольку текст теста оптимизации предназначен для проверки наличия или отсутствия отдельных типов оптимизации, он состоит из набора отдельных, не связанных фрагментов программ, и не представляет собой целостное, проблемно-ориентированное тело программы. Тест организован как основная функция (main), содержащая большинство фрагментов кода для оптимизации, и несколько отдельных функций, с аргументами или без них. Эти функции демонстрируют не только отдельные методы оптимизации, но также оптимизацию пролога и эпилога выполняемых функций. С целью обеспечения максимальных возможностей для оптимизации, основанной на времени жизни отдельной переменной, большинство переменных теста являются глобальными. Многие возможности обеспечены специально для общих методов оптимизации, таких как удаление лишних сохранений (присваиваний), размножение констант и размещение переменных в регистрах.

Процесс оптимизации кода сложен, и степень повышения эффективности зависит не только от типа и изощренности методов оптимизации компилятора, но также и от того, как исходный текст программы написан и структурирован. Результат также зависит от того, как в исходном тексте используются переменные и выражения.

В таблице 2 собрана информация о том, какие приемы оптимизации выполнялись каждым компилятором на тексте теста. Каждый компилятор из рассматриваемого набора выполняет простейшие приемы оптимизации, такие как свертка констант и алгебраические упрощения. Большинство применяют методы оптимизации некоторого промежуточного уровня, включающего снижение мощности и удаление общих подвыражений. Некоторые выполняют оптимизацию высокого уровня, такую как вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции циклов. Ни один не выполняет успешно слияние циклов, и только Datalight Optimum-C делает попытки, далеко не удовлетворительные, применения глубокого удаления общих подвыражений.

--------------------------------------------------------------¬

¦Таблица 2: Результаты теста оптимизации ¦

+-------------------------T---T---T---T---T---T---T---T---T---+

¦ КОМПИЛЯТОР ВЕРСИЯ ¦ 1 ¦ 2 ¦ 3 ¦ 4 ¦ 5 ¦ 6 ¦ 7 ¦ 8 ¦ 9 ¦

+-------------------------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

¦МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Свертка констант (целых) ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Свертка констант (плав.) ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Размножение констант ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Размножение копий ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Алгебр.упрощения ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Подавление деления на 0 ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление подвыражений ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Снижение мощности ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Удаление излишних ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ загрузок/сохранений ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление недостижи- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ мого кода ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Удаление излишних ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ присваиваний ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Использ. машинно- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ зависимых команд ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Поддержка встроенных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ функций ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Размещение переменных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ в регистрах ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦

¦Непосредственные инструк-¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ции 80287 ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Сжатие цепочки переходов ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦ * ¦ ¦ * ¦

¦Вынесение инвариантного ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ кода ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удаление переменных ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ индукции циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удаление циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ * ¦ ¦ ¦

¦Удал. глуб. подвыражений ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Разворачивание циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Слияние циклов ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

+-------------------------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

¦ 1 - BORLAND Turbo C 1.5, 2 - COMPUTER INNOVATIONS ¦

¦ C86Plus 1.1, 3 - DATALIGHT Optimum-C 3.14, 4 - LATTICE ¦

¦ MS-DOS C 3.2, 5 - MANX Aztec C 4.0, 6 - METAWARE High C ¦

¦ 1.4, 7 - MICROSOFT C 5.0, 8 - MICROSOFT QuickC 1.0, 9 - ¦

¦ WATCOM C 6.0. ¦

¦ * - компилятор применяет этот метод оптимизации. ¦

+-------------------------------------------------------------+

¦ Большинство включенных в обзор компиляторов языка Си ¦

¦ поддерживают простые методы оптимизации, такие как ¦

¦ алгебраические упрощения, и только несколько компиляторов ¦

¦ применяют более сложные формы, такие как удаление общих ¦

¦ подвыражений. ¦

L--------------------------------------------------------------

Borland International.

Выход компилятора Turbo C представляет собой разумный, но не очень оптимизированный код. Кроме свертки констант, удаления лишних загрузок регистров и алгебраических упрощений, компилятор выполняет только снижение мощности, удаление недостижимого кода и размещение переменных в регистрах. Он не поддерживает другие общие методы оптимизации, такие как удаление лишних сохранений, общих подвыражений и переменных индукции цикла, а также вынесение инвариантного кода.

Turbo C разумно управляет прологом и эпилогом функций и использованием регистров, засылая в стек и извлекая только те регистры, которые явно используются внутри тела функции.

Computer Innovation Inc.

Компилятор C86Plus вырабатывает хороший код со средним уровнем оптимизации. Он выполняет базовые приемы оптимизации, такие как свертка констант и размножение копий. Однако он не выполняет размножение констант для удаления лишних сохранений.

Хотя компилятор успешно выполняет алгебраические упрощения, он порождает лишние инструкции из-за того, что размещает результаты в регистрах, вместо того, чтобы помещать их в переменные. Этот эффект проявляется в том, что при размещении переменных в регистрах предпринимаются попытки переразмещения, так как при выполнении нескольких операторов результаты в действительности должны быть присвоены соответствующим переменным.

Хотя C86Plus успешно справляется со сверткой явных дублирующихся присваиваний в одно присваивание, удаление лишних сохранений он выполняет неустойчиво. Единственное лишнее присваивание в функции dead_code остается единственной командой после того, как компилятор удаляет недостижимый код из функции.

C86Plus - один из нескольких компиляторов рассматриваемого набора, который преобразует инициализацию элементов массива из функции проверки разворачивания циклов в эквивалентную команду STOSW процессора 80x86 с префиксом REP. Однако, что касается разумного уровня оптимизации в других областях, то он не смог решить задачу преобразования цепочки переходов в функции jump_chain_compression в один переход. Он не выполняет существенную оптимизацию циклов.

Datalight Inc.

С появлением Optimum-C Datalight стала одним из первых поставщиков, предложивших оптимизирующий компилятор. Хотя набор тестов не подтвердил наглядно претензии Datalight на глобальную оптимизацию, Optimum-C сработал так хорошо в некоторых фрагментах теста, что он продемонстрировал слабые фрагменты набора, требующие изменений для усовершенствования желаемой проверки. Например, в первой версии функции jump_compression не возвращалось значение, что делало все вычисления и присваивания в функции лишними. Optimum-C выявил это и удалил большую часть кода функции, включая цепочку переходов.

В тесте размножения констант и копий Optimum-C определил, что присваивание i5 в обоих условных операторах является излишним по отношению к последующим присваиваниям. Компилятор удалил не только эти присваивания, но и условные операторы.

Неудовлетворительным оказалось удаление лишних сохранений значений регистров. Optimum-C удалил одно лишнее присваивание, i=k5, в тесте размножения констант и копий и лишнее присваивание в функции dead_code. Он не удалил второе лишнее присваивание, i=2, в тесте размножения констант и копий, и k=2, дублируемое присваивание.

Optimum-C - единственный компилятор, который пытался выполнить глубокое удаление общих выражений. Проверка сгенерированного кода показала, что общее выражение i5+i2 было перемещено выше первого базового блока условного оператора, но не было удалено из второго.

Вне ограничений на стандартное использование регистров, накладываемых семейством микропроцессоров 80x86, Optimum-C разумно использует регистры. В функции jump_compression каждый передаваемый параметр был помещен в регистр. Внутри тела функции не было ссылок в память, кроме начальной засылки в регистры.

Одной важной областью, в которой компилятор Optimum-C требует улучшений, является оптимизация циклов. Компилятор не пытается выполнять вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции цикла.

Тест выполнения показал, что компилятор Datalight очень эффективно управляет вводом/выводом getc/putc, а остальные тесты выполняются в приемлемое время.

Lattice Inc.

Имеющий большую историю компилятор Lattice MS-DOS C последовательно совершенствовался с каждой новой версией. Он известен как генератор стабильного, предсказуемого кода и выполняет умеренную оптимизацию. Lattice С выполняет снижение мощности, сжатие цепочки переходов и удаление общих подвыражений. Он не удаляет дублирующиеся присваивания после теста встроенных функций и лишние присваивания в функции dead_code. Хотя он не генерирует никакого кода для недостижимого printf в функции dead_code, компилятор Lattice C генерирует ненужный безусловный переход к LEAVE, которая является следующей инструкцией.

Единственными сгенерированными машинно-зависимыми инструкциями были ENTER и LEAVE, инструкции микропроцессоров 80x86 для прологов и эпилогов функций. Это сомнительное благо, поскольку выполнение ENTER требует больше циклов микропроцессора, чем установка адресации стекового фрейма отдельными инструкциями. Lattice C не выполняет оптимизацию циклов.

Manx Software Systems Inc.

Компилятор Aztec C86 сгенерировал хороший код с довольно хорошим уровнем оптимизации. Кроме свертки констант и алгебраических упрощений, Aztec C86 выполнил снижение мощности и удаление общих подвыражений. Однако, он не выполнил удаление лишних присваиваний и не удалял недостижимый код. Aztec C86 сгенерировал код для недостижимого оператора printf вместе с безусловным переходом через него.

Поскольку любая программа на Си имеет значительное количество вызовов функций, заголовок каждого вызова необходимо минимизировать. Aztec C86 использует необычный, но эффективный подход к решению этой проблемы. На выходе компилятора получается текст в языке ассемблера, который обрабатывается отдельным ассемблером. Компилятор вставляет в текст директивы условного ассемблирования вокруг кода, который устанавливает стековый фрейм и сохраняет регистры. После генерации кода функции компилятор определяет символы для управления установкой стекового фрейма и сохранения только тех регистров, которые используются в функции.

Aztec C86 не смог решить задачу преобразования цепочки переходов в один переход к конечной цели. Он также не выполнял оптимизацию циклов.

Metaware Inc.

High C вырабатывает хороший код со средним уровнем оптимизации. Компилятор выполняет все базовые виды оптимизации, включая свертку констант и алгебраические упрощения, удаление лишних операций загрузки регистров, снижение мощности и удаление общих подвыражений. Компилятор Metaware удаляет недостижимый код из функции dead_code, но не удаляет лишние присваивания.

High C разумно использует машинно-зависимые инструкции. Компилятор усовершенствует загрузку констант с плавающей точкой, используя команду копирования строк MOVS процессоров 80x86 для записи значений с плавающей точкой, вычисленных во время компиляции. Он также генерирует инструкцию LEAVE процессоров 80x86 для эпилога функций, но устанавливает адресацию стекового фрейма в прологе функции с помощью отдельных инструкций, а не используя более длительную инструкцию ENTER.

Компилятор High C не выполняет вынесение инвариантного кода, важный метод оптимизации циклов. Он также не смог применить успешно удаление переменных индукции циклов. Встроенные функции поддерживаются для нескольких целочисленных и строковых операций, таких как strlen.

Microsoft C.

В версии 5.0 своего компилятора Си корпорация Microsoft вывела высокий уровень оптимизации кода на рынок PC. Microsoft уделяет много внимания анализу циклов. C 5.0 – единственный из рассматриваемых компиляторов, который выполняет вынесение инвариантного кода и настоящее удаление переменных индукции циклов. Компилятор Microsoft C 5.0 превосходно использует регистры, стараясь минимизировать обращения к памяти в теле цикла (см. рис. 4 и 5).

Простой пример цикла в коде теста демонстрирует степень оптимизации циклов, выполняемой Microsoft C 5.0 (см. рис. 3). Компилятор применяет снижение мощности и полностью удаляет константное умножение, выявляет конечное состояние переменных j5 и k5, и помещает в регистры все переменные внутри цикла.

Другой хороший пример оптимизации циклов этим компилятором отражен в функции unnecessary_loop. C 5.0 удаляет цикл for и генерирует код только с целью установки конечного состояния переменной - индекса цикла и оператора, включенного в цикл. Компилятор также хорошо использует регистры.

Внимание фирмы Microsoft к оптимизации вознаграждается при работе теста выполнения. Он выполняется за время, которое является лучшим или близко к лучшему по каждой категории.

Microsoft QuickC.

Когда речь идет об оптимизации, QuickC становится настолько беспомощным, насколько C 5.0 изощренным. Код, сгенерированный QuickC, был в основном дословным переводом, насыщенным излишними загрузками и сохранениями регистров, переходами на переходы. Этот компилятор применяет лишь наиболее первичные методы оптимизации, свертку констант и некоторые алгебраические упрощения. Он сгенерировал недостижимый код, поместил переход через него и не смог выполнить сжатие цепочки переходов.

В пользу компилятора свидетельствует то, что что он разумно управляет прологами и эпилогами функций, используя отдельные инструкции для установки адресации стекового фрейма при входе и инструкцию LEAVE при завершении функции. При входе сохраняются и при выходе восстанавливаются только те регистры, которые используются в теле функции.

QuickC был влючен в этот обзор, потому что он имеет ключ оптимизации в командной строке (-Ox). Генерируя код, который по своей природе - дословный перевод исходного текста, QuickC был разработан исключительно как быстрый прототип компилятора, но не как оптимизирующий компилятор.

WATCOM.

Новейший соперник, завоевывающий позиции на рынке компиляторов C - WATCOM C 6.0 (см. Product Watch, Philip N. Hisley, за этот месяц). C 6.0 вырабатывает компактный код, который прекрасно использует несколько ограниченный комплект регистров семейства 80x86. Кроме выполнения базовых приемов оптимизации, он поддерживает снижение мощности и удаление недостижимого кода и общих подвыражений. В то время, как Microsoft достигает улучшения кода благодаря оптимизации циклов, WATCOM увеличивает скорость путем уменьшения управляющих заголовков вызовов функций к их абсолютно минимальному размеру. Он достигает этого путем преимущественной передачи параметров через регистры, а не через стек.

WATCOM очень хорошо удаляет недостижимый код. C 6.0 не только удалил ненужные присваивания и недостижимый код внутри функции, но он также удалил пролог и эпилог функции и свернул всю функцию к простому возврату, приписав имя функции к инструкции возврата основной функции. В завершение всего, компилятор удалил локальный вызов функции.

Насколько C 6.0 изощрен в уничтожении бесполезной функции, настолько же он беспомощен при удалении бесполезного дублирующегося присваивания. Наиболее важная область, за которую WATCOM C 6.0, как и Optimum-C, не смог взяться, была оптимизация циклов. Он не поддерживает вынесение инвариантного кода и удаление переменных индукции циклов.

Хотя C 6.0 не выполняет разворачивание циклов в отдельные команды, он (также как Datalight Optimum-C и Computer Innovations C86Plus) использует команду REP/STOSW процессоров 80x86 для инициализации тестового массива, благодаря чему удаляет цикл.

Прекрасная генерация кода в WATCOM, в частности, разумное использование регистров, дает ему очень важное преимущество. В тесте выполнения он победил в большинстве тестов, интенсивно использующих процессор, и при этом выполнялся для большой модели в лучшее время, чем большинство других компиляторов для малой модели. К слабым сторонам WATCOM можно отнести ввод/вывод файлов, использование getc и putc. Здесь он близок к наихудшим компиляторам.