Les compilateurs produisent-ils un meilleur code pour les boucles do-while par rapport aux autres types de boucles?


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Il y a un commentaire dans la bibliothèque de compression zlib (qui est utilisée dans le projet Chromium parmi beaucoup d'autres) qui implique qu'une boucle do-while en C génère du «meilleur» code sur la plupart des compilateurs. Voici l'extrait de code où il apparaît.

do {
} while (*(ushf*)(scan+=2) == *(ushf*)(match+=2) &&
         *(ushf*)(scan+=2) == *(ushf*)(match+=2) &&
         *(ushf*)(scan+=2) == *(ushf*)(match+=2) &&
         *(ushf*)(scan+=2) == *(ushf*)(match+=2) &&
         scan < strend);
/* The funny "do {}" generates better code on most compilers */

https://code.google.com/p/chromium/codesearch#chromium/src/third_party/zlib/deflate.c&l=1225

Existe-t-il des preuves que la plupart (ou certains) des compilateurs généreraient un meilleur code (par exemple plus efficace)?

Mise à jour: Mark Adler , l'un des auteurs originaux, a donné un peu de contexte dans les commentaires.


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En passant, pour clarifier, cela ne fait pas partie de Chrome. Comme vous pouvez le déduire de l'URL, il s'agit d'un projet "tiers", et si vous le regardez de plus près, vous pouvez percevoir que ce code provient de ZLib, une bibliothèque de compression polyvalente largement utilisée.

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The funny "do {}" generates better code--- mieux que quoi? Que drôle pendant () ou que ennuyeux, régulier {}?
n. «pronoms» m.

@ H2CO3 merci pour la clarification, j'ai édité la question pour être plus précise sur l'origine.
Dennis

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Ce commentaire a été écrit il y a plus de 18 ans à l'ère des compilateurs Borland et Sun C. Toute pertinence pour les compilateurs aujourd'hui serait purement accidentelle. Notez que cette utilisation particulière de do, par opposition à juste un, whilen'évite pas une branche conditionnelle.
Mark Adler

Réponses:


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Tout d'abord:

Une do-whileboucle n'est pas la même chose qu'une while-loop ou une for-loop.

  • whileet les forboucles peuvent ne pas exécuter du tout le corps de la boucle.
  • Une do-whileboucle exécute toujours le corps de la boucle au moins une fois - elle ignore la vérification de la condition initiale.

Voilà donc la différence logique. Cela dit, tout le monde n'y adhère pas strictement. Il est assez courant d' utiliser des boucles whileou des forboucles même s'il est garanti qu'elles boucleront toujours au moins une fois. (Surtout dans les langues avec des boucles foreach .)

Donc, pour éviter de comparer des pommes et des oranges, je vais continuer en supposant que la boucle s'exécutera toujours au moins une fois. De plus, je ne mentionnerai plus les forboucles car ce sont essentiellement des whileboucles avec un peu de sucre de syntaxe pour un compteur de boucles.

Je vais donc répondre à la question:

Si une whileboucle est garantie de boucler au moins une fois, y a-t-il un gain de performance en utilisant une do-whileboucle à la place?


A do-whileignore le premier contrôle de condition. Il y a donc une branche de moins et une condition de moins à évaluer.

Si la condition est coûteuse à vérifier et que vous savez que vous êtes assuré de faire une boucle au moins une fois, une do-whileboucle pourrait être plus rapide.

Et bien que cela soit considéré comme une micro-optimisation au mieux, c'est une que le compilateur ne peut pas toujours faire: en particulier lorsque le compilateur est incapable de prouver que la boucle entrera toujours au moins une fois.


En d'autres termes, une boucle while:

while (condition){
    body
}

Est effectivement le même que celui-ci:

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

Si vous savez que vous bouclerez toujours au moins une fois, cette instruction if est étrangère.


De même, au niveau de l'assemblage, c'est à peu près comment les différentes boucles se compilent pour:

boucle do-while:

start:
    body
    test
    conditional jump to start

boucle while:

    test
    conditional jump to end
start:
    body
    test
    conditional jump to start
end:

Notez que la condition a été dupliquée. Une autre approche est:

    unconditional jump to end
start:
    body
end:
    test
    conditional jump to start

... qui échange le code en double contre un saut supplémentaire.

Quoi qu'il en soit, c'est encore pire qu'une do-whileboucle normale .

Cela dit, les compilateurs peuvent faire ce qu'ils veulent. Et s'ils peuvent prouver que la boucle entre toujours une fois, alors il a fait le travail pour vous.


Mais les choses sont un peu bizarres pour l'exemple particulier de la question car il a un corps de boucle vide. Puisqu'il n'y a pas de corps, il n'y a pas de différence logique entre whileet do-while.

FWIW, j'ai testé ceci dans Visual Studio 2012:

  • Avec le corps vide, il génère en fait le même code pour whileet do-while. Donc, cette partie est probablement un vestige de l'ancien temps où les compilateurs n'étaient pas aussi bons.

  • Mais avec un corps non vide, VS2012 parvient à éviter la duplication du code de condition, mais génère toujours un saut conditionnel supplémentaire.

Il est donc ironique que, bien que l'exemple de la question montre pourquoi une do-whileboucle pourrait être plus rapide dans le cas général, l'exemple lui-même ne semble pas apporter d'avantages sur un compilateur moderne.

Compte tenu de l'âge du commentaire, nous ne pouvons que deviner pourquoi il serait important. Il est très possible que les compilateurs de l'époque n'aient pas été capables de reconnaître que le corps était vide. (Ou s'ils l'ont fait, ils n'ont pas utilisé les informations.)


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Le fait de vérifier la condition une fois de moins est-il donc un si grand avantage? J'en doute vraiment. Exécutez la boucle 100 fois et cela devient totalement insignifiant.

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@ H2CO3 Mais que faire si la boucle ne s'exécute qu'une ou deux fois? Et qu'en est-il de cette taille de code accrue par rapport au code de condition dupliqué?
Mysticial

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@Mystical Si une boucle ne s'exécute qu'une ou deux fois, alors cette boucle ne vaut pas la peine d'être optimisée. Et l'augmentation de la taille du code n'est ... pas un argument solide, au mieux. Il n'est pas obligatoire que chaque compilateur l'implémente comme vous l'avez montré. J'ai écrit un compilateur pour mon propre langage jouet, et la compilation des boucles while est implémentée avec un saut inconditionnel au début de la boucle, donc le code de la condition n'est émis qu'une seule fois.

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@ H2CO3 "Si une boucle ne s'exécute qu'une ou deux fois, alors cette boucle ne vaut pas la peine d'être optimisée." - Je ne suis pas d'accord. Cela pourrait être dans une autre boucle. Des tonnes de mon propre code HPC hautement optimisé sont comme ça. Et oui, le do-while fait une différence.
Mysticial

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@ H2CO3 Où ai-je dit que je l'encourageais? La question posée est une do-whileboucle plus rapide qu'une boucle while. Et j'ai répondu à la question en disant que cela pouvait être plus rapide. Je n'ai pas dit de combien. Je n'ai pas dit si cela valait la peine. Je n'ai recommandé à personne de commencer à se convertir en boucles do-while. Mais simplement nier qu'il y a une possibilité d'optimisation, même si c'est une petite, est à mon avis un mauvais service à ceux qui se soucient et s'intéressent à ces choses.
Mysticial

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Existe-t-il des preuves que la plupart (ou certains) des compilateurs généreraient un meilleur code (par exemple plus efficace)?

Pas grand-chose, à moins que vous ne regardiez l' assemblage réellement généré d'un compilateur réel et spécifique sur une plate-forme spécifique avec des paramètres d'optimisation spécifiques.

Cela valait probablement la peine de s'inquiéter il y a des décennies (lorsque ZLib a été écrit), mais certainement pas de nos jours, à moins que vous ne trouviez, par un vrai profilage, que cela supprime un goulot d'étranglement de votre code.


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Eh bien, la phrase premature optimizationme vient à l'esprit ici.
James Snell

@JamesSnell exactement. Et c'est ce que la réponse la mieux notée soutient / encourage.

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Je ne pense pas que la réponse la mieux notée encourage une optimisation prématurée. Je dirais que cela montre qu'une différence d'efficacité est possible, aussi légère ou insignifiante soit-elle. Mais les gens interprètent les choses différemment et certains peuvent voir cela comme un signe de commencer à utiliser des boucles do-while quand ce n'est pas nécessaire (j'espère que non). Quoi qu'il en soit, je suis content de toutes les réponses à ce jour. Ils fournissent des informations précieuses sur la question et ont généré une discussion intéressante.
Dennis

16

En un mot (tl; dr):

J'interprète le commentaire dans le code des OP un peu différemment, je pense que le "meilleur code" qu'ils prétendent avoir observé était dû au déplacement du travail réel dans la "condition" de la boucle. Je suis tout à fait d'accord cependant que c'est très spécifique au compilateur et que la comparaison qu'ils ont faite, tout en étant capable de produire un code légèrement différent, est pour la plupart inutile et probablement obsolète, comme je le montre ci-dessous.


Détails:

Il est difficile de dire ce que l'auteur original voulait dire par son commentaire sur cette do {} whileproduction de meilleur code, mais j'aimerais spéculer dans une autre direction que ce qui a été soulevé ici - nous pensons que la différence entre do {} whileet les while {}boucles est assez mince (une branche de moins comme Mystical a dit), mais il y a quelque chose d'encore plus "drôle" dans ce code et qui met tout le travail dans cette folle condition, et garde la partie interne vide ( do {}).

J'ai essayé le code suivant sur gcc 4.8.1 (-O3), et cela donne une différence intéressante -

#include "stdio.h" 
int main (){
    char buf[10];
    char *str = "hello";
    char *src = str, *dst = buf;

    char res;
    do {                            // loop 1
        res = (*dst++ = *src++);
    } while (res);
    printf ("%s\n", buf);

    src = str;
    dst = buf;
    do {                            // loop 2
    } while (*dst++ = *src++);
    printf ("%s\n", buf);

    return 0; 
}

Après la compilation -

00000000004003f0 <main>:
  ... 
; loop 1  
  400400:       48 89 ce                mov    %rcx,%rsi
  400403:       48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
  400407:       0f b6 50 ff             movzbl 0xffffffffffffffff(%rax),%edx
  40040b:       48 8d 4e 01             lea    0x1(%rsi),%rcx
  40040f:       84 d2                   test   %dl,%dl
  400411:       88 16                   mov    %dl,(%rsi)
  400413:       75 eb                   jne    400400 <main+0x10>
  ...
;loop 2
  400430:       48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
  400434:       0f b6 48 ff             movzbl 0xffffffffffffffff(%rax),%ecx
  400438:       48 83 c2 01             add    $0x1,%rdx
  40043c:       84 c9                   test   %cl,%cl
  40043e:       88 4a ff                mov    %cl,0xffffffffffffffff(%rdx)
  400441:       75 ed                   jne    400430 <main+0x40>
  ...

Ainsi, la première boucle fait 7 instructions tandis que la seconde en fait 6, même si elles sont censées faire le même travail. Maintenant, je ne peux pas vraiment dire s'il y a une certaine intelligence du compilateur derrière cela, probablement pas et c'est juste une coïncidence, mais je n'ai pas vérifié comment cela interagit avec les autres options du compilateur que ce projet pourrait utiliser.


Sur clang 3.3 (-O3) par contre, les deux boucles génèrent ce code de 5 instructions:

  400520:       8a 88 a0 06 40 00       mov    0x4006a0(%rax),%cl
  400526:       88 4c 04 10             mov    %cl,0x10(%rsp,%rax,1)
  40052a:       48 ff c0                inc    %rax
  40052d:       48 83 f8 05             cmp    $0x5,%rax
  400531:       75 ed                   jne    400520 <main+0x20>

Ce qui montre simplement que les compilateurs sont assez différents et progressent à un rythme beaucoup plus rapide que ce que certains programmeurs auraient pu prévoir il y a plusieurs années. Cela signifie également que ce commentaire est assez dénué de sens et probablement là parce que personne n'avait jamais vérifié s'il avait encore du sens.


En bout de ligne - si vous voulez optimiser le meilleur code possible (et que vous savez à quoi cela devrait ressembler), faites-le directement dans l'assemblage et coupez le "middle-man" (compilateur) de l'équation, mais prenez en compte ce plus récent les compilateurs et les nouveaux matériels peuvent rendre cette optimisation obsolète. Dans la plupart des cas, il est préférable de laisser simplement le compilateur faire ce niveau de travail pour vous et de se concentrer sur l'optimisation des gros travaux.

Un autre point à souligner - le nombre d'instructions (en supposant que c'est ce que le code des OP d'origine recherchait), n'est en aucun cas une bonne mesure de l'efficacité du code. Toutes les instructions n'ont pas été créées égales, et certaines d'entre elles (de simples mouvements de reg-to-reg par exemple) sont vraiment bon marché car elles sont optimisées par le CPU. Une autre optimisation pourrait en fait nuire aux optimisations internes du processeur, de sorte que seule une analyse comparative appropriée compte.


Il semble que cela enregistre un mouvement de registre. mov %rcx,%rsi:) Je peux voir comment réorganiser le code peut faire cela.
Mysticial

@Mystical, vous avez raison sur la micro-optimisation. Parfois, même enregistrer une seule instruction ne vaut rien (et les mouvements de reg-to-reg devraient être presque gratuits avec le renommage de reg aujourd'hui).
Leeor

Il ne semble pas que le changement de nom de déplacement ait été implémenté avant AMD Bulldozer et Intel Ivy Bridge. C'est une surprise!
Mysticial

@Mysticial, notez que ce sont à peu près les premiers processeurs implémentant un fichier de registre physique. Les anciennes conceptions dans le désordre placent simplement le registre dans le tampon de réorganisation, où vous ne pouvez pas faire cela.
Leeor

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Il semble que vous ayez interprété le commentaire dans le code d'origine différemment de la plupart des autres, et cela a du sens. Le commentaire dit "le drôle do {} .." mais ne dit pas à quelle version non drôle il compare. La plupart des gens connaissent la différence entre do-while et while, donc je suppose que "the funny do {}" ne s'appliquait pas à cela, mais au déroulement en boucle et / ou à l'absence de devoir supplémentaire, comme vous l'avez montré ici.
Abel

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Une whileboucle est souvent compilée comme une do-whileboucle avec une branche initiale vers la condition, c'est-à-dire

    bra $1    ; unconditional branch to the condition
$2:
    ; loop body
$1:
    tst <condition> ; the condition
    brt $2    ; branch if condition true

alors que la compilation d'une do-whileboucle est la même sans la branche initiale. Vous pouvez voir que cela while()est intrinsèquement moins efficace par le coût de la succursale initiale, qui n'est cependant payée qu'une seule fois. [Comparez avec la manière naïve d'implémentation while,qui nécessite à la fois une branche conditionnelle et une branche inconditionnelle par itération.]

Cela dit, ce ne sont pas des alternatives vraiment comparables. Il est pénible de transformer une whileboucle en do-whileboucle et vice versa. Ils font des choses différentes. Et dans ce cas, les divers appels de méthode domineraient totalement tout ce que le compilateur a fait par whilerapport àdo-while.


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La remarque ne concerne pas le choix de l'instruction de contrôle (do vs. while), il s'agit du déroulement de la boucle !!!

Comme vous pouvez le voir, il s'agit d'une fonction de comparaison de chaînes (les éléments de chaîne mesurant probablement 2 octets de long), qui auraient pu être écrits avec une seule comparaison plutôt que quatre dans un raccourci et une expression.

Cette dernière implémentation est bien sûr plus rapide, car elle effectue une seule vérification de la condition de fin de chaîne après toutes les comparaisons de quatre éléments, alors que le codage standard impliquerait une vérification par comparaison. Dit différemment, 5 tests par 4 éléments contre 8 tests par 4 éléments.

Quoi qu'il en soit, cela ne fonctionnera que si la longueur de la chaîne est un multiple de quatre ou a un élément sentinelle (de sorte que les deux chaînes sont garanties de différer au-delà de la strendfrontière). Assez risqué!


C'est une observation intéressante et quelque chose que tout le monde a négligé jusqu'à présent. Mais un compilateur n'aurait-il aucun effet là-dessus? En d'autres termes, ce serait toujours plus efficace quel que soit le compilateur utilisé. Alors pourquoi y a-t-il un commentaire qui mentionne les compilateurs?
Dennis

@Dennis: différents compilateurs ont différentes manières d'optimiser le code généré. Certains peuvent se dérouler eux-mêmes en boucle (dans une certaine mesure) ou optimiser les affectations à l'extérieur. Ici, le codeur force le compilateur à se dérouler en boucle, ce qui permet aux compilateurs moins optimisés de bien fonctionner. Je pense qu'Yves a tout à fait raison sur ses hypothèses, mais sans le codeur original, il reste un peu mystérieux ce que la vraie pensée était derrière la remarque "drôle".
Abel

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@Abel merci pour la clarification, je comprends mieux le sens (supposé) derrière le commentaire maintenant. Yves est certainement venu le plus près de résoudre le mystère derrière le commentaire, mais je vais accepter la réponse de Mysticial car je pense qu'il a le mieux répondu à ma question. Il s'avère que je posais la mauvaise question parce que le commentaire m'induit en erreur de me concentrer sur le type de boucle, alors qu'il fait probablement référence à la condition.
Dennis

0

Cette discussion de l'efficacité while vs do est complètement inutile dans ce cas, car il n'y a pas de corps.

while (Condition)
{
}

et

do
{
}
while (Condition);

sont absolument équivalents.

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