A09: jit-compiler

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主講人: jserv / 課程討論區: 2016 年系統軟體課程

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預期目標

• 學習設計 JIT 編譯器
• 運用計算機組織的背景知識，進行深入效能評估和提出改善方案
• 延展程式語言，提供 concurrency 能力

Brainfuck 程式語言

Brainfuck 程式語言由 Urban Müller 在1993年建立，比C語言大約問世於1972年還來晚的多，此語言中雖然簡易，只有八個運算字元，但不論基本數學運算，或是迴圈等等他都能勝任，是個麻雀雖小五臟俱全的語言，以下是此語言的運算符號及意義。

接著我們就來探討要如何改善此Complier，在此語言上因為極其簡易，因此許多的運算是累贅的，例如乘法、初始值等，又或是迴圈的使用，因為 Brainfuck 的迴圈終止都是仰賴 Array[0] 來判斷，在 Index 的運算上其實會有很多的不必要。在 brainfuck optimization strategies 提到以下最佳化策略:

• Contraction
• Clear loops
• Copy loops
• Multiplication loops
• Operation offsets
• Scan loops

在這些改善方法上也可參考 打造 Brainfuck 的 JIT compiler ，探討 Brainfuck Xbyak JIT Assembler。

Optimization

在開始進行最佳化前，先記錄未最佳化之數據。

• progs/awib.b             GOOD        70.1ms
• progs/mandelbrot.b       GOOD        2924.2ms
• progs/hanoi.b            GOOD        7308.1ms

Contraction

此方法是將多餘運算整併，例如 +++++ ，其實就是+=5，此改善方法雖然直覺簡單，但實質效益也不差，而實作方法可在遇到+ - > < 時即檢查是否為連續出現。而在此我們保留 inc 在只有出現一次的時候，可使效能最佳化。

int continuous_count(char *p)
{
    char *ptr = p;
    int count = 0;
    while (*ptr == *p) {
        count++;
        ptr++;
    }
    return count;
}

執行結果

• progs/awib.b             GOOD        41.5ms
• progs/mandelbrot.b       GOOD        1018.0ms
• progs/hanoi.b            GOOD        3799.4ms

Clear loops & Copy loops & Multiplication loops

此部分是將值 Copy 到其他位置上，而 Multiplication loops 是多了一個乘數，Copy loops 則是直接複製，我們現在這段function可涵蓋眾多pattern，只要開頭是 [- 然後是單一迴圈無巢狀，迴圈內也無其他的減法，就能被涵蓋在內，因此標題上的 **Clear loops & Copy loops & Multiplication loops **皆可被涵蓋其中。

int check_loops(char *p,int *index,int *mult)
{
    int res,offset = 0,_index = 0;
    if (*(p+1) != '-') return -1;
    p += 2;
    while (*p != ']') {
        if (*p == '[' || *p == '-' ||
            *p == '.' || *p == ',')
            return -1;
        res = continuous_count(p);
        if (*p == '>') offset += res;
        else if (*p == '<') offset -= res;
        else if (*p == '+') {
            index[_index] = offset;
            mult[_index] = res;
            _index++;
        }
        p += res;
   }
   if (offset != 0) return -1;
   return _index;
}

執行結果

• progs/awib.b             GOOD        37.0ms
• progs/mandelbrot.b       GOOD        2526.5ms
• progs/hanoi.b            GOOD        2929.1ms

Operation offsets

Scan loops

此部分在 Hint 中提到用 memchr() 來最佳化，可 parallel 比對8 bits 之字串，而處理的 pattern 如 [<<<] 等。在下圖中，我們可看到 awib 以及 mandelbrot 有著較多的 Scan loops ，但進一步分析，可發現 awib 的 Scans loops 都以 [<], [>] 居多，而 mandelbrot 則以較多的offset 如 [<<<<<<<<<] ，在此部分上的差距可能對效能上也會有所影響。

移除換行符號

為了能更有效率的判斷，我們加入移除換行符號的 function，如此我們可以降低換行所帶來的影響，也方便之後的演算法方便寫作，不須多考慮換行的差異，如原本是連續的+，有可能會因為換行而截斷，變成兩次add。在這裡補上測試數據，若以完成上述最佳化方法的情況下來測試。

原本

• progs/awib.b             GOOD        18.3ms
• progs/mandelbrot.b       GOOD        721.9ms
• progs/hanoi.b            GOOD        61.4ms

調整後

• progs/awib.b             GOOD        15.3ms
• progs/mandelbrot.b       GOOD        684.1ms
• progs/hanoi.b            GOOD        45.3ms

可發現在時間越大的 test bench 上其效果會更加顯著。

綜合分析

在針對 Brainfuck Compiler 的效能改善上，其實可分為兩個方向來作增進

• Contraction
• Reduce Loops

Contraction

在此我們可分析 **Contraction **所改善之數量，意即透過 **Contraction **減少多少指令，此採計對象是以未被其他優化方式優化之部分，即是真實有使用到 **Contraction **部分之程式碼，其壓縮比例都相當不錯，尤其在 hanoi 上有極明顯之效率，此數據與執行時˙間也有對應之，但若要能更精確的來探討執行時˙間，可能要多加入上述兩方向的實際所占執行時間比例，能更清楚分析其所占比例，因迴圈必須在實際執行上來估計，若透過此數據能完整呈現此作業的面貌，也能更加清楚可改進之部分。

Reduce Loops

以下我們就以 Loops 來作分析，我將 test bench 個別作分析，可看到我們所作的改善其實包含範圍只有50%左右，其他可能是巢狀迴圈或試其他特殊迴圈，以致於不被包含在我們所訂定的制式迴圈中，而針對上面在對我們所定義的迴圈格式改善中，可看到執行時間上在 mandelbrot 並不太顯著，此問題在這裡可被凸顯出來，在 Scan loops 他所佔據之比例大約有五分之一，而 Scan loops 又是極耗費時間之動作，因此改善效果就沒其他兩者 bench 來的好。而 hanoi 的改善效能極好，因其 Loops 被優化範圍高達 80%，而 awib 的改善範圍則只有 45%，但在 other loops 中其運算並不算太複雜，且 multiplication loops 比例也快有 20%，所以改善效能狀況也還不太差。

所以若我們能改善 Scan loops 那其實對 mandelbrot  應該能有顯著之改善，而若能針對巢狀迴圈或其他迴圈上改進，那對於 awib 應該也能有明顯的加速。

問題與討論

在這裡我們可發現 hanoi.b  的改善效能最好，有155倍的差異，而其他兩者則改善4倍，mandelbrot.b 有跑出漂亮的684ms，我們可探討一下為何 hanoi 的改善效果能如此漂亮。

其實打開檔案來觀察，不難發現hanoi 的> <極多，看起來非常整齊，這些都是可以被降低的，再者也有許多的Loops可以被簡略，這些都是我們改善的重點，也因此原本長約的700行test bench，168134行的組合語言，改善到42742行；在 mandelbrot.b 中則有許多的 [<<<<<<<]，且也無 hanoi 來的多累贅運算。

上圖是對於改善的程式碼長度，下面則放上執行時間的統計圖，方便大家做一比較。可發現mandelbrot 對於 **Contraction **較有反應，此部分感覺是因為一些特殊pattern目前無法用Remove Loops 去除，因此產生此對比性。

除錯提示

Brainfuck 以及指令集都不是我們所熟悉的，而且不容易 print 值debug，在這裡我是用在 Makefile 內的 run-jit-x64 ，此動作可 dump assembly code，對作業的debug上有相當之益處，可發現問題的癥結點；另外我也有印出在 file 中也會方便使用者來檢查，若直接 print 出有時會影響到結果值，或是可能直接不 print 出 ( 在有bug的狀況下 )。

( 未優化前滿滿的dec )

作業要求

• 作在 github 上 fork jit-construct，注意不要跟 2015 年的作業搞錯了
• 依據上方提示，提出改善內建 benchmark suite 效能的機制，並且要能夠充分解釋行為，需要一併透過 gnuplot 自動產生效能分析圖表
• 參考以下實做，對 Brainfuck 程式語言進行擴充，使其能夠支援 concurrency / parallelism。需要有程式語言的規格描述並且驗證。
  • Bukkake: A parallel brainfuck JIT in C
  • Brainfuck Process Extensions
  • Parallel Brainfuck
  • Concurrent Brainfuck

參考資料

• Virtual Machine Constructions for Dummies
• How A Compiler Works
• 廖健富共筆
• 林郁寧共筆
• 作業共筆彙整