Tại sao Julia không tối ưu hóa mã này khi C ++ (LLVM) có thể?

Khi sử dụng trình biên dịch C ++ với LLVM phiên bản 6.0.0, đoạn mã sau

bool isEven(int n) {
    bool ret = true;
    for (int i = 0; i < n; i ++) {
        ret = !ret;
    }
    return ret;
}

phát ra LLVM IR

define zeroext i1 @_Z6isEveni(i32) local_unnamed_addr #0 !dbg !7 {
  call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %0, metadata !14, metadata !DIExpression()), !dbg !18
  call void @llvm.dbg.value(metadata i8 1, metadata !15, metadata !DIExpression()), !dbg !19
  call void @llvm.dbg.value(metadata i32 0, metadata !16, metadata !DIExpression()), !dbg !20
  %2 = icmp slt i32 %0, 1, !dbg !21
  %3 = and i32 %0, 1, !dbg !23
  %4 = icmp eq i32 %3, 0, !dbg !23
  %5 = or i1 %4, %2, !dbg !23
  ret i1 %5, !dbg !24
}

declare void @llvm.dbg.value(metadata, metadata, metadata) #1

attributes #0 = { nounwind readnone uwtable "correctly-rounded-divide-sqrt-fp-math"="false" "disable-tail-calls"="false" "less-precise-fpmad"="false" "no-frame-pointer-elim"="false" "no-infs-fp-math"="false" "no-jump-tables"="false" "no-nans-fp-math"="false" "no-signed-zeros-fp-math"="false" "no-trapping-math"="false" "stack-protector-buffer-size"="8" "target-cpu"="x86-64" "target-features"="+fxsr,+mmx,+sse,+sse2,+x87" "unsafe-fp-math"="false" "use-soft-float"="false" }
attributes #1 = { nounwind readnone speculatable }

Xem: https://godbolt.org/z/oPBFey

Đây là chức năng tương đương với việc thực hiện sau đây:

julia> isEven(n::Int) = rem(n, 2) != 0
isEven (generic function with 1 method)

julia> @code_llvm debuginfo=:none isEven(7)

define i8 @julia_isEven_18796(i64) {
top:
  %1 = trunc i64 %0 to i8
  %2 = and i8 %1, 1
  %3 = xor i8 %2, 1
  ret i8 %3
}

julia>

Tuy nhiên, việc triển khai C ++ ban đầu được chuyển cho Julia dẫn đến một LLVM IR rất khác:

julia> function isEven(n::Int)
           out = true
           for i in 0:n-1
               out = !out
           end
           return out
       end
isEven (generic function with 1 method)

julia> @code_llvm debuginfo=:none isEven(7)

define i8 @julia_isEven_18793(i64) {
top:
  %1 = add i64 %0, -1
  %2 = icmp sgt i64 %1, -1
  br i1 %2, label %L8.L12_crit_edge, label %L25

L8.L12_crit_edge:                                 ; preds = %top
  %min.iters.check = icmp ult i64 %0, 128
  br i1 %min.iters.check, label %scalar.ph, label %vector.ph

vector.ph:                                        ; preds = %L8.L12_crit_edge
  %n.vec = and i64 %0, -128
  br label %vector.body

vector.body:                                      ; preds = %vector.body, %vector.ph
  %index = phi i64 [ 0, %vector.ph ], [ %index.next, %vector.body ]
  %vec.phi = phi <32 x i8> [ <i8 1, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0, i8 0>, %vector.ph ], [ %3, %vector.body ]
  %vec.phi8 = phi <32 x i8> [ zeroinitializer, %vector.ph ], [ %4, %vector.body ]
  %vec.phi9 = phi <32 x i8> [ zeroinitializer, %vector.ph ], [ %5, %vector.body ]
  %vec.phi10 = phi <32 x i8> [ zeroinitializer, %vector.ph ], [ %6, %vector.body ]
  %3 = xor <32 x i8> %vec.phi, <i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1>
  %4 = xor <32 x i8> %vec.phi8, <i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1>
  %5 = xor <32 x i8> %vec.phi9, <i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1>
  %6 = xor <32 x i8> %vec.phi10, <i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1, i8 1>
  %index.next = add i64 %index, 128
  %7 = icmp eq i64 %index.next, %n.vec
  br i1 %7, label %middle.block, label %vector.body

middle.block:                                     ; preds = %vector.body
  %bin.rdx = xor <32 x i8> %vec.phi8, %vec.phi
  %bin.rdx14 = xor <32 x i8> %5, %bin.rdx
  %bin.rdx15 = xor <32 x i8> %6, %bin.rdx14
  %rdx.shuf = shufflevector <32 x i8> %bin.rdx15, <32 x i8> undef, <32 x i32> <i32 16, i32 17, i32 18, i32 19, i32 20, i32 21, i32 22, i32 23, i32 24, i32 25, i32 26, i32 27, i32 28, i32 29, i32 30, i32 31, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx16 = xor <32 x i8> %bin.rdx15, %rdx.shuf
  %rdx.shuf17 = shufflevector <32 x i8> %bin.rdx16, <32 x i8> undef, <32 x i32> <i32 8, i32 9, i32 10, i32 11, i32 12, i32 13, i32 14, i32 15, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx18 = xor <32 x i8> %bin.rdx16, %rdx.shuf17
  %rdx.shuf19 = shufflevector <32 x i8> %bin.rdx18, <32 x i8> undef, <32 x i32> <i32 4, i32 5, i32 6, i32 7, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx20 = xor <32 x i8> %bin.rdx18, %rdx.shuf19
  %rdx.shuf21 = shufflevector <32 x i8> %bin.rdx20, <32 x i8> undef, <32 x i32> <i32 2, i32 3, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx22 = xor <32 x i8> %bin.rdx20, %rdx.shuf21
  %rdx.shuf23 = shufflevector <32 x i8> %bin.rdx22, <32 x i8> undef, <32 x i32> <i32 1, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef, i32 undef>
  %bin.rdx24 = xor <32 x i8> %bin.rdx22, %rdx.shuf23
  %8 = extractelement <32 x i8> %bin.rdx24, i32 0
  %cmp.n = icmp eq i64 %n.vec, %0
  br i1 %cmp.n, label %L25, label %scalar.ph

scalar.ph:                                        ; preds = %middle.block, %L8.L12_crit_edge
  %bc.resume.val = phi i64 [ %n.vec, %middle.block ], [ 0, %L8.L12_crit_edge ]
  %bc.merge.rdx = phi i8 [ %8, %middle.block ], [ 1, %L8.L12_crit_edge ]
  br label %L12

L12:                                              ; preds = %L12, %scalar.ph
  %value_phi2 = phi i8 [ %bc.merge.rdx, %scalar.ph ], [ %9, %L12 ]
  %value_phi3 = phi i64 [ %bc.resume.val, %scalar.ph ], [ %11, %L12 ]
  %9 = xor i8 %value_phi2, 1
  %10 = icmp eq i64 %value_phi3, %1
  %11 = add i64 %value_phi3, 1
  br i1 %10, label %L25, label %L12

L25:                                              ; preds = %L12, %middle.block, %top
  %value_phi6 = phi i8 [ 1, %top ], [ %9, %L12 ], [ %8, %middle.block ]
  ret i8 %value_phi6
}


julia> versioninfo()
Julia Version 1.3.1
Commit 2d5741174c (2019-12-30 21:36 UTC)
Platform Info:
  OS: macOS (x86_64-apple-darwin18.6.0)
  CPU: Intel(R) Core(TM) i7-7920HQ CPU @ 3.10GHz
  WORD_SIZE: 64
  LIBM: libopenlibm
  LLVM: libLLVM-6.0.1 (ORCJIT, skylake)

julia>

Có ai có thể giải thích tại sao Julia không thể tạo ra IR giống như trình biên dịch C ++ cho cùng một mã với hầu hết cùng một phiên bản LLVM không?

Câu trả lời ngắn gọn là: Julia và C ++ là những ngôn ngữ khác nhau với ngữ nghĩa khác nhau và các trình biên dịch khác nhau.

Các ngữ nghĩa khác nhau có nghĩa là tối ưu hóa khác nhau tại pháp lý. Sẽ cần phải xem xét kỹ xem đây có phải là hợp pháp trong C ++ nhưng bất hợp pháp ở Julia không. Tôi sẽ ngạc nhiên nếu nó là.

Các trình biên dịch khác nhau có nghĩa là các trình biên dịch làm những việc khác nhau. Trình biên dịch C ++ đã có hàng thập kỷ và có lẽ hàng trăm triệu đô la thời gian dành cho nhà phát triển đã dành cho họ (Ngay cả khi rất nhiều phần mềm được các tình nguyện viên nguồn mở quyên góp); ngay cả một trình biên dịch trẻ hơn như Clang vẫn có thể xây dựng trực tiếp trên nhiều thập kỷ ý tưởng đã được chứng minh từ các trình biên dịch cũ hơn như GCC.

Trình biên dịch Julia được bắt đầu lần đầu tiên vào năm 2012. Đã có ít giờ hơn để đi vào nó. Quả thực tôi không nghĩ rằng nó thực sự có trình tối ưu hóa của riêng mình cho đến phiên bản.6.6, đó là năm 2017. LLVM thực sự có trình tối ưu hóa, cả Julia và Clang đều sử dụng. Nhưng họ sử dụng nó khác nhau, họ có các đường chuyền khác nhau được kích hoạt và họ cung cấp cho nó thông tin khác nhau (vì ngữ nghĩa khác nhau). Thêm vào đó bạn đang xem mã trước khi LLVM chạy. (vì vậy có thể muốn xem xét các công cụ lắp ráp). Các phiên bản LLVM giống nhau giữa hai phiên bản chỉ quan trọng đối với những hướng dẫn nào tồn tại - không phải là những gì mà LLVM thực hiện vì bạn đang xem mã trước khi chạy.