Kỹ thuật đảo ngược vòng lặp là gì?

Tôi đã xem qua một tài liệu nói về các kỹ thuật tối ưu hóa trình biên dịch đúng lúc (JIT) cho Java. Một trong số đó là "đảo ngược vòng lặp". Và tài liệu nói:

Bạn thay thế một whilevòng lặp thông thường bằng một do-whilevòng lặp. Và do-whilevòng lặp được đặt trong một ifmệnh đề. Sự thay thế này dẫn đến ít lần nhảy hơn.

Đảo ngược vòng lặp hoạt động như thế nào và nó tối ưu hóa đường dẫn mã của chúng ta như thế nào?

NB: Sẽ thật tuyệt nếu ai đó có thể giải thích bằng một ví dụ về mã Java và cách JIT tối ưu hóa nó thành mã gốc và tại sao nó lại tối ưu trong các bộ xử lý hiện đại.

while (condition) { 
  ... 
}

Quy trình làm việc:

1. Kiểm tra tình trạng;
2. nếu sai, nhảy ra bên ngoài vòng lặp;
3. chạy một lần lặp lại;
4. nhảy lên đầu.

if (condition) do {
  ...
} while (condition);

Quy trình làm việc:

1. Kiểm tra tình trạng;
2. nếu sai, nhảy ra ngoài vòng lặp;
3. chạy một lần lặp lại;
4. Kiểm tra tình trạng;
5. nếu đúng, hãy chuyển sang bước 3.

So sánh hai bước này, bạn có thể dễ dàng thấy rằng bước sau có thể không thực hiện bất kỳ bước nhảy nào, miễn là có chính xác một bước trong vòng lặp và nói chung số lần nhảy sẽ ít hơn một lần so với số lần lặp. Đầu tiên sẽ phải quay lại để kiểm tra điều kiện, chỉ nhảy ra khỏi vòng lặp khi điều kiện sai.

Các bước nhảy trên các kiến ​​trúc CPU có đường ống hiện đại có thể khá tốn kém: vì CPU đang hoàn thành việc thực hiện các kiểm tra trước khi bước nhảy, các lệnh vượt quá bước nhảy đó đã ở giữa đường dẫn. Tất cả quá trình xử lý này phải bị loại bỏ nếu dự đoán nhánh không thành công. Quá trình thực thi tiếp tục bị trì hoãn trong khi đường ống đang được lặp lại.

Giải thích cho dự đoán nhánh đã đề cập : đối với mỗi loại bước nhảy có điều kiện, CPU có hai lệnh, mỗi lệnh bao gồm đặt cược vào kết quả. Ví dụ: bạn sẽ đặt một chỉ dẫn nói rằng " nhảy nếu không, đặt cược vào không " ở cuối vòng lặp vì bước nhảy sẽ phải được thực hiện trên tất cả các lần lặp ngoại trừ lần cuối cùng. Bằng cách đó, CPU bắt đầu bơm đường ống của nó với các lệnh theo sau mục tiêu bước nhảy thay vì các lệnh theo chính lệnh nhảy.

Lưu ý quan trọng

Vui lòng không lấy đây làm ví dụ về cách tối ưu hóa ở cấp mã nguồn. Điều đó sẽ hoàn toàn sai lầm vì, như câu hỏi của bạn đã rõ ràng, việc chuyển đổi từ dạng đầu tiên thành dạng thứ hai là điều mà trình biên dịch JIT thực hiện như một vấn đề thường lệ, hoàn toàn tự nó.

Điều này có thể tối ưu hóa một vòng lặp luôn được thực thi ít nhất một lần.

Sau đó, một whilevòng lặp thông thường sẽ luôn quay lại phần đầu ít nhất một lần và nhảy về phần cuối một lần khi kết thúc. Ví dụ về một vòng lặp đơn giản chạy một lần:

int i = 0;
while (i++ < 1) {
    //do something
}  

Mặt khác, một do-whilevòng lặp sẽ bỏ qua bước nhảy đầu tiên và cuối cùng. Đây là một vòng lặp tương đương với vòng lặp ở trên, sẽ chạy mà không có bước nhảy:

int i = 0;
if (i++ < 1) {
    do {
        //do something
    } while (i++ < 1); 
}

Hãy xem qua chúng:

Các whilephiên bản:

void foo(int n) {
    while (n < 10) {
       use(n);
       ++n;
    }
    done();
}

1. Đầu tiên, chúng tôi kiểm tra nvà chuyển sang done();nếu điều kiện không đúng.
2. Sau đó, chúng tôi sử dụng và tăng dần n.
3. Bây giờ chúng ta quay trở lại điều kiện.
4. Rửa sạch, lặp lại.
5. Khi điều kiện không còn đúng nữa, chúng ta chuyển sang done().

Các do-whilephiên bản:

(Hãy nhớ rằng chúng tôi không thực sự làm điều này trong mã nguồn [sẽ gây ra các vấn đề bảo trì], trình biên dịch / JIT thực hiện điều đó cho chúng tôi.)

void foo(int n) {
    if (n < 10) {
        do {
            use(n);
            ++n;
        }
        while (n < 10);
    }
    done();
}

1. Đầu tiên, chúng tôi kiểm tra nvà chuyển sang done();nếu điều kiện không đúng.
2. Sau đó, chúng tôi sử dụng và tăng dần n.
3. Bây giờ chúng tôi kiểm tra điều kiện và nhảy lại nếu nó đúng.
4. Rửa sạch, lặp lại.
5. Khi điều kiện không còn đúng nữa, chúng tôi chuyển (không nhảy) đến done().

Vì vậy, ví dụ, nếu nbắt đầu 9, chúng tôi không bao giờ nhảy ở do-whilephiên bản, trong khi trong whilephiên bản, chúng tôi phải quay lại từ đầu, làm bài kiểm tra và sau đó quay trở lại cuối khi chúng tôi thấy nó không đúng. .

Đảo ngược vòng lặp là một kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất giúp cải thiện hiệu suất vì bộ xử lý có thể đạt được cùng một kết quả với ít lệnh hơn. Điều này chủ yếu sẽ cải thiện hiệu suất trong các điều kiện biên.

Liên kết này cung cấp một ví dụ khác về đảo ngược vòng lặp. Trong một số kiến ​​trúc mà việc giảm và so sánh được thực hiện như một tập lệnh duy nhất, việc chuyển đổi vòng lặp for thành một lúc với thao tác giảm và so sánh là rất hợp lý.

Wikipedia có một ví dụ rất hay và tôi đang giải thích lại ở đây.

 int i, a[100];
  i = 0;
  while (i < 100) {
    a[i] = 0;
    i++;
  }

sẽ được trình biên dịch chuyển đổi thành

  int i, a[100];
  i = 0;
  if (i < 100) {
    do {
      a[i] = 0;
      i++;
    } while (i < 100);
  }

Điều này chuyển thành hiệu suất như thế nào? Khi giá trị của i là 99, bộ xử lý không cần thực hiện GOTO (bắt buộc trong trường hợp đầu tiên). Điều này cải thiện hiệu suất.