Cours #8 Optimisation de code

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1 ELE-784 Ordnateurs et programmaton système Cours #8 Optmsaton de code Bruno De Kelper Ste nternet : Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 1 Plan d aujourd hu 1. Optmsaton de la performance du code (chap. 5) 1. Capactés et lmtatons d optmsaton des complateurs 2. Eprmer la performance du code 3. Élmnaton des neffcactés des boucles 4. Rédure les appels de fonctons 5. Élmnaton des références nutles à la mémore 6. Compréhenson des processeurs modernes 7. Réducton de la charge des boucles 8. Converson à l utlsaton de ponteurs 9. Amélorer le parallélsme 10. Résumé des résultats d optmsaton actuels 11. Prédcton des branchements et pénaltés 12. Performance des accès à la mémore 13. Technques d améloraton des performances Réf. : Computer Systems A Programmer s Perspectve, R.E. Bryant, D.R. O Hallaron, Prentce Hall, chap. 5. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 2 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 1

2 Optmsaton de la performance du code - La performance du code est dctée dans une large mesure par le cho d algorthmes et des structures de données qu les supportent. - Mas auss, grâce à des technques spécales, les complateurs et matérels modernes sont conçus pour trer le mamum de performance des algorthmes utlsés. - Malgré ça, les cho fats par le programmeur ont un mpact sur la capacté d optmsaton du complateur et du matérel. - Des changements anodns dans la façon d écrre le code peuvent avor parfos un mpact consdérable sur la faclté qu aura le complateur a en produre un code performant. - Ans, le programmeur dot ader le complateur car celu-c ne peut effectuer que des transformatons assez lmtées sur le code. - Les complateurs utlsent des technques d optmsaton dtes : Indépendantes de la machne Dépendantes de la machne Qu peuvent s applquées à n mporte quelle machne Qu dépendent des partculartés de bas nveau de la machne Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 3 Optmsaton de la performance du code - Les processeurs modernes utlsent des technques sophstquées pour eécuter le code d un programme, tels que le parallélsme d eécuton et l eécuton hors séquence. - Et le programmeur dot comprendre ces prncpes de fonctonnement pour trer le mamum de performance de son code Capactés et lmtatons d optmsaton des complateurs - Les complateurs modernes eplotent à chaque occason les opportuntés de : - Smplfer les epressons. - Utlser un même tratement à pluseurs endrots. - Rédure le nombre de fos qu un tratement est effectué. - Etc. - Les capactés d optmsaton des complateurs sont lmtées par : 1 L egence qu ls ne dovent jamas modfer le comportement du code. 2 Leur compréhenson lmtée du comportement du code et le contete dans lequel l sera utlsé. 3 Le beson d effectuer la complaton rapdement. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 4 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 2

3 Optmsaton de la performance du code Capactés et lmtatons d optmsaton des complateurs Ces deu fonctons semblent effectuer eactement le même traval. 1 er cas : vod AddXY_1 (nt*xp, nt*yp) { *Xp = *Yp; *Xp = *Yp; A 5 Xp Yp 3 B vod AddXY_2 (nt*xp, nt*yp) { *Xp = 2 * (*Yp); Verson optmsée? 2 ème cas : Xp A 5 Yp AddXY_1 AddXY_2 Phénomène d alas de mémore "memory alasng" AddXY_1 AddXY_2 A 11 A 11 A 20 A 15 Donc, lorsque ces deu fonctons reçovent des ponteurs vers la même varable, elles ne produsent pas le même résultat. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 5 Optmsaton de la performance du code Capactés et lmtatons d optmsaton des complateurs Ces deu fonctons semblent effectuer eactement le même traval. nt AddF_1 (nt X) { return (f(x) f(x) f(x) f(x)); Mas s : effet seare nt n = 0; nt f (nt A) { n; return (An); nt AddF_2 (nt X) { return (4*f(X)); Verson optmsée? Alors, f() a des "effets seares". Donc : 5 AddF_1 À cause des "effets seares" de f(), ces deu fonctons reçovent la même valeur en entrée, mas ne produsent pas le même résultat. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système AddF_ Dans les deu cas, "memory alasng" et "effets seares", ans que ben d autres, le complateur ne peut pas optmser sans changer le comportement du code. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 3

4 Optmsaton de la performance du code Eprmer la performance du code - La mesure de performance est un outl essentel pour dentfer les partes de code qu dovent être optmsées ans que pour détermner l mpact des cho d optmsaton. - La performance du code peut être mesurée de ben des façons, mas de cellesc, le nombre de cycles par élément (CPE) est partculèrement utle pour mesurer le code répéttf tel que les boucles vod Sum1 (nt n) { for ( = 0; < n; ) c[] = a[] b[]; CPE = *n *n vod Sum2 (nt n) { for ( = 0; < n; = 2) { c[] = a[] b[]; c[1] = a[1] b[1]; Utlse le déroulement partel de boucle Le CPE a l avantage d être ndépendant du matérel 200 CPE = Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 7 Optmsaton de la performance du code Eprmer la performance du code vod Operaton1 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt ; *dest = INIT; for ( = 0; < vec_len(v); ) { data_t val; get_element (v,, &val); *dest = *dest OPER val; Mesure du CPE : Optmsaton Pas d optmsaton Opton O2 Sot la foncton Operaton1() qu accumule les données d un vecteur selon l opératon OPER. Enter Pont flottant typedef struct { nt len; data_t*data; vec_rec, *vec_ptr Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 8 et où #defne INIT 0 #defne OPER ou #defne INIT 1 #defne OPER* - L opton de complaton O2 amélore la performance d envron 25 %. - Les multplcatons en pont-flottant consomment beaucoup plus de temps (presque 4 fos plus). Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 4

5 Optmsaton de la performance du code Élmnaton des neffcactés des boucles - Dans l eemple précédent, le code eécute la foncton vec_len() à chaque tératon, ben que la longueur du vecteur ne change pas. - Une 1 ère optmsaton serat donc de détermner la longueur du vecteur avant la boucle afn d évter l appel trop fréquent à la foncton vec_len(). vod Operaton2 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt ; nt length = vec_len(v); *dest = INIT; for ( = 0; < length; ) { data_t val; get_element (v,, &val); *dest = *dest OPER val; Mesure du CPE : Optmsaton Operaton1() Operaton2() Enter Pont flottant Cette optmsaton amélore la performance d envron 33 %. - Ce type d optmsaton s appelle "déplacement de code" (code moton). - Le complateur tente d utlser le "déplacement de code", mas à cause d effet seare potentel, l évte de changer les appels de foncton. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 9 Optmsaton de la performance du code Élmnaton des neffcactés des boucles Autre eemple : Les fonctons Mnus1() et Mnus2() convertssent une chane de caractères en mnuscule. vod Mnus1 (char*s) { nt ; Longueur de la chane où for ( = 0; < strlen(s); ) { f ((S[] >= A ) && (S[] <= Z )) S[] -= ( A a ); vod strlen (const char *S) { nt len = 0; whle (*S!= /0 ) { S; len; return len; Dot trouver la fn de la chane pour détermner sa longueur vod Mnus2 (char *S) { nt ; nt length = strlen(s); for ( = 0; < length; ) { f ((S[] >= A ) && (S[] <= Z )) S[] -= ( A a ); Mesure du CPE : Mnuscule1 Mnuscule2 Longueur de la chane - La foncton Mnus1 a un comportement quadratque (à évter absolument). - La foncton Mnus2 a un comportement lnéare Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 10 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 5

6 Optmsaton de la performance du code Rédure les appels de fonctons - Les appels de fonctons ndusent une charge supplémentare et empêchent la plupart des optmsatons. vod Operaton3 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt ; nt length = vec_len(v); data_t *data = get_frst(v); *dest = INIT; for ( = 0; < length; ) *dest = *dest OPER data[]; - La foncton Operaton2 () récupère chaque élément du vecteur à l ade de la foncton get_element (). - Mas, en récupérant les éléments par un accès drect au vecteur, comme dans la foncton Operaton3 () c-dessous : Mesure du CPE : Foncton Operaton2() Operaton3() Enter Pont flottant Cette optmsaton amélore la performance par un facteur de 3.5 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 11 Optmsaton de la performance du code Rédure les appels de fonctons - Les appels de fonctons ndusent une charge supplémentare et empêchent la plupart des optmsatons. - La foncton Operaton2 () récupère chaque élément du vecteur à l ade de la foncton get_element (). - Mas, en récupérant les éléments par un accès drect au vecteur, comme dans la foncton Operaton3 () c-dessous : vod Operaton3 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt ; nt length = vec_len(v); data_t *data = get_frst(v); *dest = INIT; for ( = 0; < length; ) *dest = *dest OPER data[]; Mesure du CPE : Foncton Operaton2() Operaton3() Enter Cette optmsaton amélore la performance jusqu à un facteur de 3.7 Pont flottant Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 12 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 6

7 Optmsaton de la performance du code Élmnaton des références nutles à la mémore - L accès à une varable en mémore mplque que le processeur dot effectuer un cycle de lecture et un cycle d écrture pour récupérer la donnée et rafrachr la varable modfée. - À cause du phénomène de "memory alasng", le complateur ne peut pas toujours optmser ce type d utlsaton d une varable en lu attrbuant un regstre. Mas vod Operaton4 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt ; nt length = vec_len(v); data_t *data = get_frst(v); data_t = INIT; for ( = 0; < length; ) = OPER data[]; *dest = ; - La foncton Operaton3 () accumule le résultat de son calcul dans la varable pontée par dest. Mesure du CPE : Varable servant a accumuler le résultat Foncton Operaton3() Operaton4() Enter Pont flottant Cette optmsaton amélore la performance jusqu à un facteur de 3 - Et plus encore pour le cas de la multplcaton à pont-flottant. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 13 Optmsaton de la performance du code Compréhenson des processeurs modernes - L optmsaton en profondeur du code requère une compréhenson en détal des partculartés du processeur sur lequel le code sera eécuté. - Les processeurs modernes ncorporent de nombreu mécansmes qu leur permettent d eécuter le code plus rapdement. - Utlsaton de mémore cache de données et d nstructons. - Utlsaton d un ppelne d eécuton. - Pluseurs untés fonctonnelles (untés de tratement). - Untés de lecture et d écrture ndépendantes. - Tratement "hors séquence". - Mécansme de prédcton des branchements. - Mécansme d eécuton spéculatve. - En fat, l eécuton réelle des nstructons par le processeur ne ressemble pas du tout à la séquence eprmée par le code, même dans sa verson "machne". - Le processeur est capable d eécuter pluseurs nstructons en même temps (certans jusqu à 80 nstructons smultanément), tout en assurant que le code se comporte correctement. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 14 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 7

8 Optmsaton de la performance du code Compréhenson des processeurs modernes Instructon control Retrement unt ster fle Fetch control Instructon decode Address Instructons Instructon cache Operatons ster updates Predcton OK? Integer/ branch General nteger FP add FP mult/dv Store Functonal unts Operaton results Addr. Addr. Data Data Data cache Eecuton Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 15 Optmsaton de la performance du code Compréhenson des processeurs modernes - La plupart des untés fonctonnelles du processeur sont équpes d un ppelne qu leur permet de commencer l eécuton de la prochane opératon avant d avor termné la précédente. - Le temps d eécuton pour chaque opératon est dentfé par deu valeurs : Latence : Temps d émsson : Nombre de cycle nécessare pour Nombre de cycle nécessare entre eécuter l opératon du début deu opératons ndépendantes jusqu à la fn. consécutves. Opératon Addton entère Multplcaton entère Dvson entère Addton pont-flottant Multplcaton pont-flottant Dvson pont-flottant Lecture (en cache) Écrture (en cache) Latence Émsson Les opératons de dvson ne sont pas msent en ppelne car elles ne sont pas jugées assez fréquentes. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 16 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 8

9 Optmsaton de la performance du code Compréhenson des processeurs modernes - Pour commencer notre analyse, prenons en eemple la boucle de tratement de la foncton Operaton4() (notre melleur code jusqu à présent) : Eemple : En supposant que les varables sont stockées dans des regstres du processeur (sauf pour data qu se trouve en mémore-cache). Eécuton d une tératon for ( = 0; < length; ) cycles Code ntal = OPER data[]; 1 Lecture de data[] 1 comp Détal 2 Multplcaton de et 2 d eécuton 3 Incrément goto eécuton 4 Compare à length 3 smultanée 5 Branche à 1 s plus pett 4 = Data[] Durée du Notaton = * 5 * tratement abrégée = 1 6 = - length GOTO 1 ( = <) 7 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 17 Optmsaton de la performance du code * comp goto * comp goto Tratement spéculatf En supposant des ressources llmtées comp goto - Les multplcatons sont effectuées en séquence car elles requèrent le résultat de la précédente. - Une nouvelle multplcaton est commencée à tous les 4 cycles, donc CPE = Le tratement total des 3 tératons utlse 15 cycles. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 18 * Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 9

10 Optmsaton de la performance du code * comp goto * comp goto Tratement spéculatf Avec des ressources lmtées comp goto - Les untés General Integer et Integer/Branch peuvent commencer une opératon à chaque cycle. - Donc, la 3 ème ncrémentaton dot être décalée. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 19 * Optmsaton de la performance du code Compréhenson des processeurs modernes - En général, le processeur est lmté par tros types de contrantes : Dépendance de donnée Ressources lmtées Prédcton de branchement Force le retardement de certanes opératons jusqu à ce que les opérants soent dsponbles. Lmte le nombre d opératons qu peuvent être eécutées en même temps. Lmte le degré auquel le processeur peut prédre à l avance le tratement à effectuer. - L optmsaton en profondeur du code requère ans de tenr compte de ces tros contrantes. - D un autre côté, le gan de performance ans obtenu dépend des caractérstques du processeur spécfque sur lequel le code sera eécuté. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 20 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 10

11 Optmsaton de la performance du code Réducton de la charge des boucles - Il est ben connu que le déroulement, même partel, des boucles permet de rédure l mpact de la charge supplémentare ndute par la geston de la boucle. vod Operaton5 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt length = vec_len(v); data_t *data = get_frst(v); data_t = INIT; nt lmt = length-2; Pour évter de déborder du tableau nt ; - La foncton Operaton5 () reprodut la foncton Operaton4 (), mas en déroulant la boucle par un facteur 3. for ( = 0; < lmt; =3) = OPER data[] OPER data[1] OPER data[2]; for (; < length; ) = OPER data[]; *dest = ; Pour termner les éléments qu reste. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 21 Optmsaton de la performance du code Chaque prend 3 cycles (latence) et un peut démarrer à chaque cycle (temps d émsson). comp goto comp goto Mesure de CPE CPE Degré de déroulement On remarque que le gan n est pas lnéare. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 22 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 11

12 Optmsaton de la performance du code Réducton de la charge des boucles - Avec le déroulement de la boucle de la foncton Operaton5(), l effet de l optmsaton se fat sentr de façon plus mportant lorsque le nombre de données à trater augmente. Nombre d éléments CPE (déal) 31 éléments 1024 éléments Degré de déroulement Le tableau c-dessus montre le CPE net mesuré sur la foncton Operaton5 () au complet, ce qu tent compte des autres partes non analysées précédemment. - Il est clar que pour de pettes quanttés de données (31 éléments), l eécuton est domnée par ces autres partes. - Tands que le gan pour le cas à 1024 éléments est suffsamment mportant pour justfer l augmentaton du nombre d nstructon ssu du déroulement de la boucle (un degré de 16 produt 142 bytes d nstructon par rapport à 63 bytes sans déroulement). Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 23 Optmsaton de la performance du code Converson à l utlsaton de ponteurs - L arthmétque de ponteur est fréquemment utlsée comme alternatve plus performante à l ndeaton dans les tableau, mas qu en est-l réellement? vod Operaton5p (vec_ptr v, data_t*dest) { data_t *data = get_frst(v); data_t *last = datavec_len(v); data_t = INIT; nt lmt = last-2; En convertssant les fonctons Operaton4() et Operaton5() à l arthmétque de ponteur for (; data < lmt; data =3) = OPER data[0] OPER data[1] OPER data[2]; vod Operaton4p (vec_ptr v, data_t*dest) { data_t *data = get_frst(v); data_t *last = datavec_len(v); data_t = INIT; for (; data < last; data) = OPER (*data); *dest = ; Foncton Operaton4() Operaton4p() Enter for (; data < last; data) = OPER data[0]; *dest = ; Operaton5() Operaton5p() Les résultats sont dentques, sauf un cas qu est pre. Pont flottant Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 24 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 12

13 Optmsaton de la performance du code Amélorer le parallélsme - Jusqu à présent, notre code est lmté par la "latence" des opératons. - Mas pluseurs untés fonctonnelles du processeur possèdent un ppelne qu leur permet de trater pluseurs opératons, à dfférents stages de leur tratement, en même temps. - Par contre, jusqu à présent, notre code ne nous permet pas d en profter car le résultat du tratement est accumulé dans une seule varable. - À cause de ça, la prochane opératon ne peut pas commencer avant que le résultat de la précédente at été obtenu. - Cette constataton nous ndque la prochane optmsaton : Fractonnement de boucle : - Certans types de tratement se prêtent à une optmsaton qu prend avantage du ppelne des opératons afn de parallélser le tratement. - Par eemple, l addton et la multplcaton de nombres enters étant assocatve et commutatve, une sére de ces opératons peut être effectuée par morceau. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 25 Optmsaton de la performance du code Amélorer le parallélsme Fractonnement de boucle : Sachant que N X = Π n=0 K N = data[n] * data[k] n=0 k=k data[n] Π Π vod Operaton6 (vec_ptr v, data_t*dest) { nt length = vec_len(v); nt lmt = length-1; data_t *data = get_frst(v); data_t 0 = INIT, 1 = INIT; nt ; for ( = 0; < lmt; = 2) { 0 = 0 OPER data[]; 1 = 1 OPER data[1]; for (; < length; ) 0 = 0 OPER data[]; *dest = 0 OPER 1; Calcul dvsé en deu morceau Alors, pour une tératon Une nouvelle multplcaton commence avant que la précédente termne. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système * 0 * 1 comp goto 0 1 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 13

14 Optmsaton de la performance du code Amélorer le parallélsme Fractonnement de boucle : - Avec cet optmsaton, pusque chaque multplcaton s eécute en 4 cycles (latence), deu multplcatons sont eécutées à chaque 4 cycles. - Il n en va pas de même avec l addton entère, comme le montre le tableau de CPE c-dessous, car cette addton s eécute en un seul cycle. Mesure du CPE : Foncton Operaton4() Operaton6() Enter Pont flottant (avec déroulement de boucle de degré 2) - Pour les autres opératons, le gan de performance est appromatvement de 2. - La plupart des complateurs déroulent les boucles, mas peu les fractonnent. - Notons, par contre, que l addton et la multplcaton pont-flottante ne sont pas vrament assocatves à cause des erreurs d arrondssement de ces calculs. - Donc, en fat, lorsque les calculs sont effectués dans un ordre dfférent, le résultat peut être dfférent. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 27 Optmsaton de la performance du code Amélorer le parallélsme Fractonnement de regstre : - Le fractonnement de boucle permet de trer avantage du ppelne des untés fonctonnelles, mas utlse plus de regstres nternes du processeur. - En fat, le processeur n a qu un nombre lmté de regstres nternes. - Lorsque le fractonnement de boucle est tel qu l est à cours de regstre, le processeur "fractonne les regstres" en stockant temporarement les résultats ntermédares sur la ple. - Il en résulte une perte de performance consdérable. Processeur standard = (8 regstres enter) (8 regstres pont-flottant) Alors pour la foncton Operaton6() : En enters Length, data, Lmt X0, X1 4 regstres 2 regstres Reste 2 regstres 0, 1 En pont-flottant X0, X1 2 regstres Reste 6 regstres 0, 1, Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 28 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 14

15 Optmsaton de la performance du code Résumé des résultats d optmsaton actuels - Après analyse, l apparaît que les calculs à pont-flottant de nos tests utlsaent des données qu produsaent un débordement dont le résultat est l nfn. - Le processeur prend de 110 à 120 cycles pour effectuer une multplcaton avec l nfn, ce qu affecte la performance consdérablement. - Ans, la performance dépend auss des données utlsées et le tableau cdessous reprodut les mesures de CPE corrgées. Foncton Operaton1() Operaton1() Operaton2() Operaton3() Operaton4() Operaton5() Operaton6() Méthode Pas optmsé Opton de complaton O2 vec_len() avant la boucle Accès drect au données Accumulaton dans varable locale Déroule la boucle (degré 4) Déroule la boucle (degré 16) Déroule (degré 2) et parallélsme (degré 2) Déroule (degré 4) et parallélsme (degré 2) Déroule (degré 8) et parallélsme (degré 4) Enter * Pont flottant * Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 29 Optmsaton de la performance du code Prédcton des branchements et pénaltés - Afn de garder les ppelnes des untés fonctonnelles le plus occupé possble, le processeur effectue du tratement spéculatf, c est-à-dre qu l commence le tratement de pluseurs nstructons en avance. - Cette stratége fonctonne ben en général; mas face à un branchement, elle ege que le processeur tente de prédre la destnaton fnal. Types de branchement : - Prse de décson (boucle, s alors, swtch) - Branchement ntonnel (goto) - Appel et retour de foncton - Appel et retour d nterrupton - Lorsque la prédcton est correct, les résultats du tratement spéculatf est conservé, c est-à-dre que les regstres du processeur et la mémore sont modfés en conséquence. - Par contre, lorsque la prédcton s avère à être neacte, les résultats du tratement spéculatf dovent être rejeté et les ppelnes dovent être réntalsés avec une nouvelle séquence d nstructons. - Il en résulte une pénalté assez lourde, en terme de temps d eécuton. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 30 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 15

16 Optmsaton de la performance du code Prédcton des branchements et pénaltés - Souvent, les processeurs se basent sur l heurstque suvante pour prédre la destnaton des branchements tonnels : - S la destnaton du branchement est une adresse plus pette, alors prend ce branchement. - S la destnaton du branchement est une adresse plus grande, alors ne prend pas ce branchement. - Cette heurstque favorse prncpalement les boucles car leur tratement répéttf amène le processeur au adresses plus basses et seule la sorte de boucle le fat avancer vers les adresses plus hautes. - Selon les études, cette heurstque est adéquate dans 65 % des branchements. - Une autre heurstque utlsée suppose que tous les branchements seront prs, ce qu s avère être correcte dans 60 % des cas. - Une mesure de la pénalté des mauvases prédctons de branchement montre un coût de 14 cycles pour chaque mauvas cho. - Ans, avec 65 % de succès, chaque branchement coûte en moyenne 4.9 cycles. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 31 Optmsaton de la performance du code Prédcton des branchements et pénaltés - Selon les études, les nstructons de branchement consttuent : - Envron 15 % des nstructons des programmes non-numérques. - De 3 % à 12 % des nstructons des programmes numérques. Programme qu fat beaucoup de calculs numérques - Ans, les pénaltés des erreurs de prédcton peuvent avor un mpact sur la performance globale du code. - Hélas, l n y a que peu de chose qu un programmeur peut fare pour amélorer la prédcton des branchements, sauf : - Chosr des tons de branchement qu ont plus de chance d être réalsées. - Rédure le nombre de branchements tonnels : If (A > 0) = A*y; else f (A < 0) = y A; else = 0; Cond = ((A < 0) << 1) ((A > 0) << 0); swtch (Cond) { case 1 : = y A; break; case 2 : = A*y; break; default : = 0; Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 32 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 16

17 Optmsaton de la performance du code Performance des accès à la mémore - Jusqu à présent, nous avons prs en consdératon les temps de latence et d émsson des opératons, sauf pour les accès au données en mémore. - Sans rentrer dans des consdératons concernant les mouvements entre la mémore-cache et la mémore-vve, supposons pour la sute que les données se trouvent toujours en mémore-cache. Latence des lectures : - Les eemples précédents utlsaent unquement l ndeaton pour accéder au données en mémore et selon un ordre strctement séquentel, donc faclement prévsble. - Dans ce cas, le processeur peut asément utlser le tratement spéculatf sur la lecture des données et profter ans du ppelne de l unté de lecture. - Lorsque l emplacement de la prochane donnée ne peut pas être faclement dentfé, comme lors des accès à une lste chanée ou des accès ndrects (ponteur), la latence de lecture prend le dessus et rédut la performance. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 33 Optmsaton de la performance du code Performance des accès à la mémore Latence des lectures : Sot la structure suvante : typedef struct Elem { struct Elem *net; nt data; lst_elem, *lst_ptr; Et la foncton qu calcule la longueur de la lste chanée : nt lst_len (lst_ptr ls) { nt len = 0; for (; ls; ls->net) len; return len; test jne 10 test jne Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 34 CPE = 3.0 test jne Chaque lecture dépend de la précédente Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 17

18 Optmsaton de la performance du code Performance des accès à la mémore Latence des écrtures : - Comme pour la lecture, l écrture a une latence de 3 cycles et un temps d émsson d un cycle, permettant ans de démarrer une écrture par cycle. - De plus, l écrture est ndépendante de la lecture, pusque effectuée par sa propre unté fonctonnelle. - Par contre, une dfférence fondamentale entre la lecture et l écrture est que la 1 ère modfe toujours un regstre du processeur tands que l autre non. - Auss, les écrtures ne sont jamas dépendantes entre elles, contrarement au lectures, comme on l a vu précédemment. - Ans, pluseurs écrtures consécutves peuvent asément être msent en ppelne. - D un autre côté, les lectures sont fréquemment dépendantes des écrtures pusque seules les lectures peuvent être affectées par le résultat des écrtures. - Souvent les lectures et les écrtures ne peuvent être parallélsées entre elles. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 35 Optmsaton de la performance du code Performance des accès à la mémore Latence des écrtures : - En réalté, l unté fonctonnelle d écrture content 2 tampons (tampon d adresse et tampon de donnée) qu peuvent tenr pluseurs opératons d écrture successves. - Lors d une lecture, l unté dot vérfer s une écrture est en attente dans l unté d écrture avant de récupérer la donnée dans la mémore-cache. Unt Adresse Donnée Store Unt Adresse Cache-memory Donnée Adresse Donnée Adresse Donnée - S la lecture ne fasat pas cette vérfcaton, elle pourrat lre une donnée en mémore-cache qu n a pas encore été mse à jour par une écrture qu a été déclenchée avant la lecture. - S l y a effectvement une écrture en cours sur la case de mémore-cache vsée par la lecture, celle-c dot attendre la fn de cette écrture. - L opératon d écrture ne subt pas ce genre de contrante de la part de la lecture. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 36 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 18

19 val Store data Optmsaton de la performance du code Sot la foncton Wrte_Read qu effectue une écrture suve d une lecture. Cas 1 : *dest *src Dans ce cas, la lecture ne dépend pas de l écrture cnt Store addr CPE = jnc src val val cnt Store data vod Wrte_Read (nt*src, nt*dest, nt n) { nt cnt = n; nt val = 0; Opératon d écrture whle (cnt--) { *dest = val; val = (*src 1); Store addr cnt -- jnc src val Opératon de lecture 7 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 37 Optmsaton de la performance du code Cas 2 : *dest = *src Ic, la lecture dépend de l écrture cnt val Store data Store addr = -- jnc cnt Store addr = cnt -- jnc Dans ce cas-c, la lecture dot attendre la fn de l écrture src val CPE = 6.0 Store data Cours # 8 11 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système src 38 val val Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 19

20 Optmsaton de la performance du code Technques d améloraton des performances - Une bonne connassance du comportement du processeur et du complateur permet de fare les bons cho lors de la concepton et l optmsaton du code. Concepton de haute nveau : - Chosr des algorthmes et des structures de données adéquates. - Évter les algorthmes ayant un comportement quadratque. Prncpes de codage : - Évter les "bloqueurs" d optmsaton du complateur. - Évter les appels de foncton ecessfs, tels que dans les boucles. - Élmner les références nutles à la mémore, par eemple avec l utlsaton de varables temporares et en stockant en mémore seulement le résultat fnal. Optmsaton de bas nveau : - Essayer dfférentes combnasons de ponteurs versus ndeage. - Rédure la charge des boucles en les déroulant. - Utlser les ppelnes des untés fonctonnelles avec des technques telles que le "fractonnement" des boucles. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 39 Optmsaton de la performance du code Technques d améloraton des performances Utlsaton de "profleur" : - Les profleurs sont des outls qu permettent d dentfer les partes du code où le prncpal du tratement est effectué. - En utlsant ce type d outl, l est possble de concentrer ses efforts d optmsaton là où ls sont vrament utles. Lo d Amdahl : - La lo d Amdahl décrt l effet de l optmsaton d un morceau de code sur la performance globale du programme. Sot où T new = (1-α)T old (αt old )/k = T old [(1-α) α/k] T old T new α k = Temps d eécuton avant optmsaton = Temps d eécuton après optmsaton = % de code optmsé = facteur d optmsaton obtenu Alors 1 S = T old /T new = (1-α) α/k (Lo d Amdahl) Cette lo montre qu un gan de performance élevé sur une pette parte de code ne résulte pas en un gan équvalent sur l ensemble du code. Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 40 Cours # 8 ELE784 - Ordnateurs et programmaton système 20

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