第一回東海北陸ロボコン交流会で行われたプログラムの高速化についての豊田高専のプレゼンです。

1. プログラムの高速化
豊田高専 関口 恵太

2. 自己紹介
本題に入る前に軽く自己紹介を…
豊田高専 電気・電子システム工学科 4年
関口 恵太
1年次 : 製作班
2年次 : マネージャー
3年次 : 全体リーダー(兼プログラマ?)
4年次 : RoboCup 回路班

3. 高速化の意義
近年のPCではスペックの向上により高速化の必要はないように思わ
れる
ではなぜここであらためて高速化を紹介するのか…
↓
高速化をするということはアセンブラレベルでの命令数の削減となり、
容量の限られている環境では実行速度だけではなく、プログラムを書
ける量の増加にもつながる

4. 最適化
では、実際にどのようにすればよいか？
一般にはコンパイラの最適化オプションを有効にするだけでも良い。
…しかし、コンパイラによる最適化ではプログラマが意図したのとは別
の動作になることもしばしばある。
そこで、最適化オプションを使わずに手動で高速化する方法を紹介す
る。

5. 手法①
• 繰り返しはカウントダウンで
例 int i;
for(i = 0; i < HOGE; i++)
↓
for(i = HOGE; i > 0; i--)
終了条件の判定はZフラグを見ており、条件を0にしてやれば条件比
較をしなくてもZフラグが立つためアセンブラレベルでは命令数が減る
ため(環境による)
(速度は体感できるレベルではないが使用メモリは削減できる)

6. 手法②
• 繰り返しそのものを見直す
先ほど、「繰り返しはカウントダウンで」と言いました。アセンブラレベルで命
令数が少なくなるからです。
どの環境でもそうでしょうか？答えは否です。
では3種類あるループのうちどれが最も命令数が少なかったのでしょうか…
結果からいうとdo~whileです。この結果を招いた要因は継続判定のタイミン
グにあります。do~whileは最後に判定をするのに対して残りの二つは最初
に判定をしているため、余分な命令が必要になってしまいます。
(具体的には、ループから抜けるためのジャンプに加えて先頭に戻るための
ジャンプ)

7. 手法③
• 関数を「static inline」修飾する
例 uint16_t GetBatteryVoltage(void){
return HOGE;
}
↓
static inline uint16_t GetBatteryVolutage(void){
return HOGE;
}
関数は呼び出される際に少なからずオーバーヘッドが発生する。
インライン展開を行うことで関数を呼び出すのではなくその位置に埋め込まれる。
(関数内の処理によっては展開されないこともある。また、static修飾をしていない
場合も展開されないことがある)

8. 手法④
• 値渡しではなくポインタ渡しをする
例 void Func1(struct Data_t dat){
hoge;
}
↓
void Func1(struct Data_t* dat){
hoge;
}
値渡しでは、引数とした変数がメモリ空間の別の場所にコピーされるので特にサ
イズの大きな構造体やインスタンスでは時間がかかる(体感ではゼロ時間)。これ
を参照渡しにすることでコピーは発生せず時間が短縮できる。
ただし、参照したからといって関数内で実体をコピーしていたらこれをするメリット
はない(と思う)

9. 手法⑤
• mallocを多用するならメモリプールを作る
(例はちょっと難しいかな…)
メモリを確保するにも当然時間はかかる。かかる時間の一部は、メ
モリの管理情報を付加しないといけないということ。(OSが認知してい
ないといけないから)
そして、ちまちまメモリを確保していると当然のごとく情報の付加回
数は多くなる。256byteを256回で確保するのと1回で確保するのとで
は後者のほうが早い(情報付加が1回で済むため)。
そこで、あらかじめメモリをまとめて確保しておき必要な量をそこから
割り当てるようにすればよい(これがメモリプール)

10. 手法⑥
• 「register」修飾(アーキテクチャ的な話になります)
例 int i;
for(i = 0;i < 1000000; i++)
hoge;
↓
register int i;
for(i= 0; i < 1000000; i++)
hoge;
CPUにとってメモリアクセスはものすごく(?)遅い
高速化するためにCPUにはキャッシュメモリが設けられているが、実際の計算時
にはレジスタに格納する必要がありそのためのアクセスに時間を要する。そこで
最初からこのレジスタに変数を確保するのがこのキーワードである。register修飾
された変数はアドレス参照することはできない。

11. 手法⑦
• 変数の「static」修飾(何回も呼び出される関数を想定してください)
例 void Func1(){
int hoge;
hoga;
}
↓
void Func1(){
static int hoge;
hoge++;
hoga;
}
一つ目のFunc1では関数が呼び出されるたびにhogeが確保され関数終了時には破棄されてしまう。つまり、呼び出すたびに再確保
という無駄時間が存在する。対して、下の関数ではstatic宣言をしているため破棄されずに常に残っているため無駄時間が発生し
ない。
もっというと、static変数は.bssセクションに確保されるため必ずゼロで初期化されています。(C言語の規則です。)セクションはコンパ
イル時の配置に関する部分(のはず)なので説明は省きますが、気になったらググるなりどうぞ。リンカスクリプトを読んでもいいかも

12. データほしい方、取りに来てくれたらじゃんじゃん差し上げます。
※発表してないスライドもあります(マイコン関連)

13. 御静聴ありがとうございました