RyuJIT CTP5 и размотка циклов

.NET C# JIT RyuJIT LoopUnrolling

Уже скоро нам будет доступен RyuJIT, JIT-компилятор следующего поколения для .NET-приложений. Microsoft любит рассказывать нам о преимуществах использования SIMD и сокращением времени JIT-компиляции. Но что можно сказать о базовых оптимизациях кода, за которые обычно отвечает компилятор? Сегодня мы поговорим о такой оптимизации как размотка (раскрутка) цикла. Если кратко, то это оптимизации кода вида

for (int i = 0; i < 1024; i++)
    Foo(i);

превращается в

for (int i = 0; i < 1024; i += 4)
{
    Foo(i);
    Foo(i + 1);
    Foo(i + 2);
    Foo(i + 3);
}

Подобный подход может заметно увеличить производительность вашего кода. Итак, как же обстоят дела с раскруткой цикла в .NET?

Общая теория

Сперва поговорим о том, как размотка циклов влияет на наше приложение.

Достоинства

Недостатки

  • Увеличивается размер исходного кода, что негативно сказывается на размере программы.
  • Из-за растущего размера количества инструкций иногда невозможно одновременно применить размотку цикла и инлайнинг.
  • Возможные промахи в кеше команд.
  • Возрастает нагрузка на регистры в рамках итерации (нам может не хватить регистров, другие оптимизации могут не примениться из-за их нехватки).
  • Если внутри итерации есть ветвление, то размотка может отрицательно повлиять на другие оптимизации.

Выводы

Размотка циклов — очень мощный инструмент для оптимизации, но только если применять её с умом. Не рекомендуется делать размотку самостоятельно: это понизит читаемость кода и может затруднить применение других оптимизаций. Лучше всего оставить этот подход компилятору. Очень важно, чтобы ваш компилятор умел делать размотку циклов грамотно.

Эксперименты

Исходный код

Мы будем работать с очень простым циклом, который просто грех не размотать:

int sum = 0;
for (int i = 0; i < 1024; i++)
    sum += i;
Console.WriteLine(sum);

Обратите внимание, что количество итераций известно заранее и равно 210. Это очень важно, т. к. существенно упрощает применение рассматриваемой оптимизации.

JIT-x86

Запустим данный код под x86 и взглянем на ассемблерный код:

        int sum = 0;                    
00EE0052  in          al,dx             
00EE0053  push        esi               
00EE0054  xor         esi,esi           
        for (int i = 0; i < 1024; i++)  
00EE0056  xor         eax,eax           
            sum += i;                   
00EE0058  add         esi,eax           ; sum += i
        for (int i = 0; i < 1024; i++)  
00EE005A  inc         eax               ; i++
00EE005B  cmp         eax,400h          
00EE0060  jl          00EE0058

Как видно, JIT-x86 размотку не выполнил. Нужно понимать, что 32-битная версия JIT-компилятора достаточно примитивна, от неё не часто можно увидеть хорошие оптимизации. Размотка цикла в JIT-x86 выполняется крайне редко, если выполняются специфические условия.

JIT-x64

Теперь перейдём к 64-битной версии JIT-компилятора:

        int sum = 0;                               
00007FFCC8710090  sub         rsp,28h              
        for (int i = 0; i < 1024; i++)             
00007FFCC8710094  xor         ecx,ecx              
00007FFCC8710096  mov         edx,1                ; edx = i + 1
00007FFCC871009B  nop         dword ptr [rax+rax]  
00007FFCC87100A0  lea         eax,[rdx-1]          ; eax = i
            sum += i;                              
00007FFCC87100A3  add         ecx,eax              ; sum += i
00007FFCC87100A5  add         ecx,edx              ; sum += i + 1
00007FFCC87100A7  lea         eax,[rdx+1]          ; eax = i + 2
00007FFCC87100AA  add         ecx,eax              ; sum += i + 2;
00007FFCC87100AC  lea         eax,[rdx+2]          ; eax = i + 3
00007FFCC87100AF  add         ecx,eax              ; sum += i + 3;
00007FFCC87100B1  add         edx,4                ; i += 4
        for (int i = 0; i < 1024; i++)             
00007FFCC87100B4  cmp         edx,401h             
00007FFCC87100BA  jl          00007FFCC87100A0

Вы можете видеть, что размотка циклов была выполнена: тело цикла было повторено 4 раза. JIT-x64 умеет повторять тело цикла 2, 3 или 4 раза (в зависимости от количества итераций). Увы, если среди делителей количества итераций чисел 2, 3, 4 нет, то размотка произведена не будет.

RyuJIT

Что же произойдёт в новом RyuJIT? Взглянем на ассемблерный код:

        int sum = 0;                            
00007FFCC86E0091  sub         rsp,20h           
00007FFCC86E0095  xor         esi,esi           
        for (int i = 0; i < 1024; i++)          
00007FFCC86E0097  xor         eax,eax           
            sum += i;                           
00007FFCC86E0099  add         esi,eax           ; sum += i
        for (int i = 0; i < 1024; i++)          
00007FFCC86E009B  inc         eax               ; i++
00007FFCC86E009D  cmp         eax,400h          
00007FFCC86E00A2  jl          00007FFCC86E0099

Печальная картина: RyuJIT не может размотать даже простейший цикл. Объяснение следующее: RyuJIT базируется на той же кодовой базе, что и JIT-x86 (см. RyuJIT: The next-generation JIT compiler for .NET).

Выводы

RyuJIT позволяет нам использовать SIMD-инструкции и сокращает время JIT-компиляции. Увы, производительность самого кода с переходом на новый JIT временами начинает страдать. Стоит отметить, что финальной версии RyuJIT ещё не вышло, эксперимент был проведён для CTP5. Надеемся, что ближе к релизу интеллектуальные оптимизации кода всё-таки появятся.

Ссылки