Nebojíme se kompilace - III (ladíme)

26. 10. 2004 | Petr Krčmář | Návody | 24334×

Takže, abyste si zapamatovali pořadí strun, je tu malá pomůcka: Emil Hodil Granát Do Atomové Elektrárny ... nebojte, nebudeme ladit kytaru, ani jiný nástroj, ale samozřejmě kompilační parametry.

Už víme, jak kompilace probíhá, už si umíme sami zkompilovat nějaký prográmek a dnes ukončíme naše povídání tím, že si vysvětlíme, jak udělat kompilaci hezčí, hravější, rychlejší... no prostě lepší.

Skript configure, o kterém jsme si již povídali, zkoumá při svém běhu celý systém a snaží se zjistit, co máme a co nemáme. A podle toho přizpůsobuje parametry, které se následně dostanou až ke kompilátoru a ovlivní tak (velmi výrazně) výsledek jeho práce.

Makefile je obyčejný textový soubor, takže jej stačí otevřít v oblíbeném editoru [čti vim]. V makefile se kromě jednotlivých příkazů nacházejí také proměnné. Ty jsou zapsány úplně na začátku a zjednodušují nám změnu celého procesu. Nejzajímavější je pro nás proměnná CFLAGS. Ta obsahuje právě parametry kompilátoru a může vypadat třeba takto:

CFLAGS= -O3 -march=pentium -ffast-math

Existuje několik důvodů, proč bychom je chtěli měnit:

• chceme změnit optimalizaci programu
• chceme překládat na jiném stroji, než na kterém to nakonec poběží
• chceme si prostě hrát

Jen vysvětlení ke druhému bodu: kompilovat můžeme na úplně jiném procesoru nebo dokonce jiné architektuře. Není problém překládat na CPU 486 program pro P4 (i když se to v praxi dělá spíš obráceně).

Parametrů je celá řada a my si popíšeme ty nejzajímavější:

-mcpu=
-march=

Tyto dva parametry jsou si velmi podobné. Oba optimalizují kód pro zvolený procesor. První z nich však nemění tabulku instrukcí, takže aplikace pak běží i na procesorech nižších generací. Příklad: Pokud použijeme -mcpu=pentium-mmx, bude kód skládán tak, aby běžel co nejrychleji na Pentiu MMX, ale nebudou použity žádné instrukce MMX, takže aplikace poběží i na i386. Pokud ale použijeme -march=pentium-mmx, budou použity všechny možnosti optimalizace, včetně využití MMX instrukcí, takže výsledek už na ničem nižším nepojede.

Podporované možnosti u procesorů Intel a kompatibilních jsou: i386, i486, i586, i686, pentium, pentium-mmx, pentiumpro, pentium2, pentium3, pentium4, prescott, nocona, k6, k6-2, k6-3, athlon, athlon-tbird, athlon-4, athlon-xp, athlon-mp, winchip-c6, winchip2 a c3. Tento výčet není zdaleka konečný a jediný správný. Může se zásadně lišit podle verze gcc a aplikovaných patchů.

-O

Určuje míru optimalizace. Tento parametr musí být následován hodnotou (0-3), která určuje, jak moc se kompilátor zabývá vyladěním kódů. Obvykle platí, že čím vyšší stupeň optimalizace zvolíme, tím výkonnější bude výsledný kód a tím delší a časově náročnější bude překlad. Některé aplikace jsou ale na vyšší stupeň citlivé a kompilace neproběhne nebo nakonec aplikace neběží.

-fexpensive-optimizations

Aktivuje dodatečně další a náročnější optimalizace.

-ffast-math

Při použití tohoto přepínače poruší gcc některá pravidla norem ANSI v zájmu zvýšení výkonu matematických operací.

-fforce-mem

Před prováděním matematických operací převádí matematické operandy do registrů.

-funroll-loops

Překladač rozepíše cykly, u nichž je předem znám počet průběhů. Místo "udělej 20x blabla" se tedy ve výsledném kódu objeví přímo "blabla blabla blabla blabla ...". Ve výsledku zvýší velikost výsledného binárního kódu, ale zároveň urychlí jeho běh.

-fschedule-insns

Instrukce jsou skládány tak, aby se minimalizovala doba čekání na vstupní data.

To je z nejdůležitějšího asi vše. Chcete-li více, viz man gcc.

Otázkou ovšem zůstává, co a kdy optimalizovat. Některé distribuce jako Gentoo nebo SourceMage automaticky kompilují zdrojové balíčky už při jejich instalaci. Takže jsou optimalizovány všechny programy i knihovny. V příslušném konfiguračním souboru pak lze nastavit konkrétní kompilační parametry.

To má pochopitelně několik výhod:

• řeší to většinu závislostí
• optimalizuje veškerý kód
• umožňuje udržovat aktuální distribuci
• není nutno čekat na balíčky

Nevýhodou je samozřejmě delší instalace veškerého software (během ní je ovšem možno normálně pracovat). Otázkou všeobjímající kompilace ovšem zůstává, zda se takto ztrávený čas vyplatí. Zarytí Gentooisti budou neobjektivně tvrdit, že rozhodně ano. Zkusme se na celou situaci podívat z nadhledu.

V každé distribuci jsou k dispozici tisíce programů. Stačí si v konzoli dvakrát stisknout tabulátor a hláška Display all 1637 possibilities? (y or n) nás jistě přesvědčí, že je tomu skutečně tak. Drtivá většina aplikací však spadá do skupiny systémových utilit, jenž jsou velmi nenáročné na procesorový čas. Jsou to například: ls, grep, less, more, sort, cat, echo, ping a mnoho dalších.

Otázka tedy zní: Vyplatí se nám optimalizovat si i tyto programy? Podle mě ne. Proto je zbytečné volit Gentoo nebo SourceMage jen proto, abychom měli "vyladěný" systém.

Naopak některé důležité programy je vhodné si optimalizovat na míru svému stroji. Jsou to ale spíše náročnější aplikace jako MPlayer, POV-Ray a podobně, kde se může za jistých okolností hodit každé procento. Rovněž na glibc (hlavní systémová knihovna, kterou využívají všechny programy) můžeme ušetřit kousek zatížení procesoru. Při přehrávání mp3 na 3GHz procesoru nás však ani toto nemusí trápit.

Jiná situace samozřejmě nastává v případě, že vlastníte nějaký zvláštní druh hardware (například 64 bitový procesor v serveru). Je pochopitelné, že instalace a použití 32 bitové distribuce "tak, jak je", by zde bylo chybou.

Další stranou mince, kterou je potřeba zvážit, je fakt, že některé distribuce (například Debian) je možno sehnat již předkompilované pro různé druhy platforem, případně můžeme stáhnout upravené balíky (MalýJarda například vyrábí své debianní balíky rovnou pro platformu i686). Máme tak ulehčenou práci, protože optimalizaci už udělal někdo za nás.

Obecně vzato je optimalizace velmi užitečná věc a v případě náročných projektů nebo nově instalovaných programů, které si sami kompilujeme, se nám může hodit. Ovšem i zde platí klasické pořekadlo: "Všeho s Mírou."

Tímto uzavíráme náš miniseriálek o kompilacích. Doufám, že se líbíl a že jste se dozvěděli něco nového.

       

Komentáře

[ja]

Dobry clanek. Dekuji, presne tohle jsem potreboval vedet.

Jen by me jeste zajimalo jak presne pouzit CFLAGS v Makefile, pripadne (jak predat ty parametry make-u v /etc/make.conf) nejak to nemuzu na googlu najit. Nejaky prikladecek by nebyl?

[ok]

Vždyť to všechno je v tom /etc/make.conf , stačí si přečíst zakomentované řádky

[jose]

aky mozem cakat priemerny narast vykonu v % pri pouziti optimalizacie pre athlon xp? je to vobec pozorovatelne?

[Kamil]

Trošku znát to je, konkrétně tedy u větších programů. Ale stejně nečekej zázraky. Zkus pohledat googlem, určitě něco najde.

-- JP

[Michal]

V naprosto VYJIMECNYCH PRIPADECH az 30% vykonu. Ale vyjimecny pripad je vyjimecny pripad. Pokud budes pracovat asi tak s 5-rozmernou matici a budes tam provadet vypocty, pak prosim.

[Martin Zoubek]

Tyhle řeči nemám rád, jak jste k tomu číslu došel? Reálná čísla pro všechny:

testovací sestava: Athlon XP 2600+, 512 MB DDR CL2 paměti, chipset VIA KT400
systém: Linux, jádro 2.6.9-ck1, gcc 3.4.1
testy: 1. bzip2, komprese cca 10 MB TARu, 2. lame, komprese cca 40 MB WAVu, 3. scimark2, malá data, 4. scimark2, velká data (nevejdou se do cache)
výsledky flags/bzip2 - výkon v % (100 % = -O0)/lame/scimark2/scimark2 -large/bzip2 - velikost exe/lame/scimark2

-O0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
-O1 170.5 209.2 234.5 129.8 82.8 86.6 80.4
-O2 158.7 224.5 232.4 122.2 87.1 86.3 86.5
-O3 171.2 225.6 237.6 130.8 91.4 91.2 91.5
-Os 177.5 212.0 197.6 128.2 74.2 73.1 73.1
-O2 -finline-functions 156.9 226.9 232.5 122.0 91.4 91.2 89.7
-O2 -fweb 172.1 224.1 242.9 130.3 82.9 86.0 86.5
-O2 -frename-registers 158.4 225.2 231.4 122.6 87.1 86.4 86.5
-O2 -funswitch-loops 158.7 225.0 234.0 121.9 87.1 86.6 86.5
-O2 -fforce-addr 178.9 222.7 247.5 121.5 87.1 88.2 87.9
-O2 -fomit-frame-pointer 175.7 232.9 254.6 123.5 87.1 86.7 86.5
-O2 -fprefetch-loop-arrays 158.6 225.8 235.3 122.4 87.1 85.5 86.5
-O2 -funroll-loops 157.7 225.2 243.8 127.9 108.5 119.9 120.7
-O2 -fbranch-target-load-optimize 158.7 224.6 235.0 122.0 87.1 86.3 86.5
-O2 -fbranch-target-load-optimize2 158.6 224.2 234.8 122.4 87.1 86.3 86.5
-O2 -fsched2-use-superblocks 157.8 223.5 234.9 122.3 87.1 86.3 86.5
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays 176.9 226.0 258.6 131.5 87.1 89.2 88.5
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=i386 191.9 261.5 299.1 138.3 82.8 84.2 83.0
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=i586 189.9 260.8 305.8 141.4 87.1 86.7 87.3
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=i686 190.8 292.8 321.5 162.9 87.1 88.0 88.7
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=athlon 192.6 282.0 302.1 165.6 87.1 89.8 92.3
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=athlon-xp 191.7 279.4 302.3 165.6 87.1 90.2 92.3
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=athlon-xp -mfpmath=387 191.8 279.6 302.1 166.1 87.1 90.2 92.3
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=athlon-xp -mfpmath=sse 192.2 262.6 301.9 165.6 87.1 91.7 92.3
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=athlon-xp -mfpmath=sse,387 192.2 257.8 302.3 165.9 87.1 91.0 92.3
-O2 -fweb -frename-registers -funswitch-loops -fforce-addr -fomit-frame-pointer -fprefetch-loop-arrays -march=athlon-xp -mfpmath=sse,387 -ffast-math 192.5 266.5 296.9 167.7 87.1 89.9 91.3

PS: Škoda, že ABCLinuxu nedovoluje tag TABLE, tohle se čte blbě...

[Jan Grmela]

Co neni, muze byt...lepsi format tabulky mne nenapadl.

[deda.jabko]

u beznych aplikaci minimalne, ale treba u takoveho video prehravace, kompresoru mp3 jde poznat rozdil mezi AMD K/7 a i386 osobne si kompiluju prave video prehracac, kompresory a jadro.

[nemo]

Docela znat je MPlayer, Scribus a Sodipodi (zvlaste pri praci s velkymi obrazky, napr. poster 1x1 m)

[Jaroslav Kucera]

Jaky je nejvhodnejsi flag pro procesor Intel Pentium M (Banias/Dothan)?

[jm]

Kouknete na Gentoo Forums, tam je dostatek silencu, co se tim zabyvaji.