Документ обсуждает оптимизации компилятора для повышения производительности программ на iOS. Рассматриваются различные типы оптимизаций, такие как оптимизация скорости, размера, потребления памяти и безопасности. Приводятся примеры кода и описание, как компилятор выполняет эти оптимизации.

1. Алексей Денисов
https://lowlevelbits.org
Оптимизации компилятора
Для Podlodka iOS Crew
1

2. • https://lowlevelbits.org
• https://twitter.com/1101_debian
• https://github.com/AlexDenisov
2
Обо мне

3. • Как компилятор оптимизирует программы
• Как компилятор видит программы
• Оптимизации скорости
• Оптимизации памяти
• Измерение оптимизаций
3
План

4. Что такое оптимизация?
int main() {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
print(i);
}
return 0;
}
4

5. Что такое оптимизация?
int main() {
return 0;
}
5

6. Какие бывают оптимизации?
• скорость программы
• размер программы
• потребление памяти
• потребление энергии
• безопасность
• обфускация
• рефакторинг?
• разработка???
6

7. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
7

8. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
8

9. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
9

10. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
10

11. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
11

12. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
12

13. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
13

14. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
14

15. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
15

16. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
16

17. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
17

18. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
18

19. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
19

20. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
20

21. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
21

22. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(i))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
22

23. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(0))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
23

24. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(0))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
24

25. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
if (condition(0))
for (int i = 0;
i < 10000;
i++)
goto first_label; goto second_label;
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
exit:
return 0;
// next iteration?
25

26. Как компилятор оптимизирует программы
bool condition(int i);
void case_0();
void case_1();
void case_2();
int main() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
if (condition(i)) {
goto first_label;
} else {
goto second_label;
}
case_0();
first_label:
case_1();
goto exit;
second_label:
case_2();
goto exit;
// next iteration?
}
exit:
return 0;
}
bool condition(int i);
void case_1();
void case_2();
int main() {
if (condition(0)) {
case_1();
} else {
case_2();
}
return 0;
}
26

27. Control Flow Graph
B1
Entry
B2 B4
B3
B5 B6
Exit
B7
27

28. Control Flow Graph
B1
Entry
B2 B4
B3
B5 B6
Exit
B7
28
Basic Block Predecessors Successors
Entry [ ] [ B1 ]
B1 [ Entry ] [ B2, B4 ]
B2 [ B1 ] [ B5 ]
B3 [ ] [ B5 ]
B4 [ B1 ] [ B6 ]
B5 [ B2 ] [ Exit ]
B6 [ B4 ] [ Exit ]
B7 [ ] [ Exit ]
Exit [ B5, B6, B7 ] [ ]

29. Control Flow Graph
B1
Entry
B2 B4
B3
B5 B6
Exit
B7
29
Basic Block Predecessors Successors
Entry [ ] [ B1 ]
B1 [ Entry ] [ B2, B4 ]
B2 [ B1 ] [ B5 ]
B3 [ ] [ B5 ]
B4 [ B1 ] [ B6 ]
B5 [ B2 ] [ Exit ]
B6 [ B4 ] [ Exit ]
B7 [ ] [ Exit ]
Exit [ B5, B6, B7 ] [ ]
Entry -> B1 -> B2 -> B5 -> Exit
Entry -> B1 -> B4 -> B6 -> Exit

30. Control Flow Graph
30
Basic Block Predecessors Successors
Entry [ ] [ B1 ]
B1 [ Entry ] [ B2, B4 ]
B2 [ B1 ] [ B5 ]
B3 [ ] [ B5 ]
B4 [ B1 ] [ B6 ]
B5 [ B2 ] [ Exit ]
B6 [ B4 ] [ Exit ]
B7 [ ] [ Exit ]
Exit [ B5, B6, B7 ] [ ]
func pred(_ bb: BasicBlock) -> [BasicBlock]
func succ(_ bb: BasicBlock) -> [BasicBlock]
func deadCodeElimination(f: Function) {
// 1
var reachable = [BasicBlock]()
var queue = [BasicBlock]()
queue.append(f.entry)
// 2
while !queue.isEmpty {
let head = queue.removeFirst()
reachable.append(head)
queue.append(contentsOf: succ(head))
}
// 3
for bb in f.basicBlocks {
if !reachable.contains(bb) {
f.removeBasicBlock(bb: bb)
}
}
}

31. Control Flow Graph
31
31
while (condition()) {
// body
}
if (condition()) {
// body
}
// body // body
if (condition()) {
// then body
} else {
// else body
}
condition() condition() condition()
// then // else
https://swift.godbolt.org/z/rG4KKEheG

32. Images:
https://icon-icons.com/icon/microchip-processor-chip-cpu/108630
https://icon-icons.com/icon/processor/47694
https://icon-icons.com/icon/ai-arti
fi
cial-intelligence-chip-technology-cpu/179503 32

33. Constant-folding
Оптимизации скорости
let secondsPerDay = 60 * 60 * 24
print(secondPerDay)
print(86400)
33

34. Algebraic Simpli
fi
cation
Оптимизации скорости
func something(x: Int) {
print(x + 0)
print(x * 0)
print(x - 0)
print(x * 1)
}
func something(x: Int) {
print(x)
print(0)
print(x)
print(x)
}
34

35. Common-subexpression Elimination (CSE)
Оптимизации скорости
func something(a: Int, b: Int) {
let x = a + b
let y = a + b
}
func something(a: Int, b: Int) {
let t = a + b
let x = t
let y = t
}
35

36. Copy Propagation
Оптимизации скорости
func something(a: Int, b: Int) {
let x = a + b
let a1 = a
let y = a1 + b
let b1 = b
let z = a1 + b1
}
func something(a: Int, b: Int) {
let x = a + b
let a1 = a
let y = a + b
let b1 = b
let z = a + b
}
func something(a: Int, b: Int) {
let t = a + b
let x = t
let y = t
let z = t
}
36

37. Loop-invariant Code Motion (LICM)
Оптимизации скорости
func compute() -> Int {
// heavy stuff
}
for i in 0...10 {
let x = compute()
print(x + i)
}
func compute() -> Int {
// heavy stuff
}
let x = compute()
for i in 0...10 {
print(x + i)
}
37

38. Inlining
Оптимизации скорости
func getSomething() -> Int {
return 42
}
print(getSomething())
func getSomething() -> Int {
return 42
}
print(42)
38

39. Loop Unrolling
Оптимизации скорости
Demo
39

40. Tail-call оптимизация
40
Demo

41. Link-time оптимизация
41
Demo

42. What else?
Demo
42

43. Оптимизации и безопасность
43
char *getPWHash() {
long i; char pwd[64];
char *sha1 = (char*)malloc(41);
// read password
fgets(pwd, sizeof(pwd), stdin); // <<<
// calculate sha1 of password ... // <<<
// overwrite pwd in memory
// Alternative (A) : use memset
memset(pwd, 0, sizeof(pwd)); // (A)
// Alternative (B) : reset pwd in a loop
for (i=0; i<sizeof(pwd); ++i)
pwd[i]=0; // (B)
// return only hash of pwd
return sha1;
}

44. Оптимизации и безопасность
44
https://nebelwelt.net/publications/
fi
les/15LangSec.pdf

45. Оптимизации памяти
45

46. Оптимизации памяти
46
struct A {
let a: Int8
let b: Int16
let c: Int8
let d: Int64
}
typealias MLA = MemoryLayout<A>
print(MLA.size) // 16
print(MLA.stride) // 16
print(MLA.alignment) // 8
print(MLA.offset(of: A.a)!) // 0
print(MLA.offset(of: A.b)!) // 2
print(MLA.offset(of: A.c)!) // 4
print(MLA.offset(of: A.d)!) // 8
struct B {
let a: Int8
let b: Int8
let c: Int64
let d: Int16
}
typealias MLB = MemoryLayout<B>
print(MLB.size) // 18
print(MLB.stride) // 24
print(MLB.alignment) // 8
print(MLB.offset(of: B.a)!) // 0
print(MLB.offset(of: B.b)!) // 1
print(MLB.offset(of: B.c)!) // 8
print(MLB.offset(of: B.d)!) // 16

47. Оптимизации памяти
47
struct A {
let a: Int8
let b: Int16
let c: Int8
let d: Int64
}
typealias MLA = MemoryLayout<A>
print(MLA.size) // 16
print(MLA.stride) // 16
print(MLA.alignment) // 8
print(MLA.offset(of: A.a)!) // 0
print(MLA.offset(of: A.b)!) // 2
print(MLA.offset(of: A.c)!) // 4
print(MLA.offset(of: A.d)!) // 8
struct B {
let a: Int8
let b: Int8
let c: Int64
let d: Int16
}
typealias MLB = MemoryLayout<B>
print(MLB.size) // 18
print(MLB.stride) // 24
print(MLB.alignment) // 8
print(MLB.offset(of: B.a)!) // 0
print(MLB.offset(of: B.b)!) // 1
print(MLB.offset(of: B.c)!) // 8
print(MLB.offset(of: B.d)!) // 16

48. Оптимизации памяти
48
struct A {
let a: Int8
let b: Int16
let c: Int8
let d: Int64
}
typealias MLA = MemoryLayout<A>
print(MLA.size) // 16
print(MLA.stride) // 16
print(MLA.alignment) // 8
print(MLA.offset(of: A.a)!) // 0
print(MLA.offset(of: A.b)!) // 2
print(MLA.offset(of: A.c)!) // 4
print(MLA.offset(of: A.d)!) // 8
struct B {
let a: Int8
let b: Int8
let c: Int64
let d: Int16
}
typealias MLB = MemoryLayout<B>
print(MLB.size) // 18
print(MLB.stride) // 24
print(MLB.alignment) // 8
print(MLB.offset(of: B.a)!) // 0
print(MLB.offset(of: B.b)!) // 1
print(MLB.offset(of: B.c)!) // 8
print(MLB.offset(of: B.d)!) // 16
Array<A>(repeating: A(), count: 1_000_000)
// 16MB
Array<B>(repeating: B(), count: 1_000_000)
// 24MB

49. Оптимизации памяти
49
enum EntityKind {
case Player
case NPC
case Enemy
}
struct Entity {
let health: Int
let kind : EntityKind
}
print(MemoryLayout<Entity>.size) // 9
print(MemoryLayout<Entity>.stride) // 16
print(MemoryLayout<Entity>.alignment) // 8
let entities = Array<Entity>(count: 1_000_000)
// 1 player + 100 NPCs + 999899 enemies
// 1_000_000 * 16B = 16MB

50. Оптимизации памяти
50
enum EntityKind {
case Player
case NPC
case Enemy
}
struct Entity {
let health: Int
let kind : EntityKind
}
print(MemoryLayout<Entity>.size) // 9
print(MemoryLayout<Entity>.stride) // 16
print(MemoryLayout<Entity>.alignment) // 8
struct Entity {
let health: Int
}
print(MemoryLayout<Entity>.size) // 8
print(MemoryLayout<Entity>.stride) // 8
print(MemoryLayout<Entity>.alignment) // 8
let entities = Array<Entity>(count: 1_000_000)
// 1 player + 100 NPCs + 999899 enemies
// 1_000_000 * 16B = 16MB
let players = Array<Entity>(count: 1)
let NPCs = Array<Entity>(count: 100)
let enemies = Array<Entity>(count: 999899)
// (999899 + 100 + 1) * 8B = 8MB

51. Измерение оптимизаций
51
https://dl.acm.org/doi/10.1145/2528521.1508275

52. Ссылки
• CS 6120: Advanced Compilers by Adrian Sampson
https://www.cs.cornell.edu/courses/cs6120/2020fa/
• Advanced Compiler Design and Implementation
https://www.goodreads.com/book/show/
887908.Advanced_Compiler_Design_and_Implementation
• Performance Analysis & Tuning on Modern CPU
https://book.easyperf.net/perf_book
• Data-oriented design: software engineering for limited resources and short
schedules
https://www.dataorienteddesign.com/dodbook/
52