Розмотування циклу

Розмотування циклу (англ. loop unrolling, loop unwinding) — спосіб, в який намагаються оптимізувати швидкодію програми за рахунок розміру двійкового файлу. Зміни в програмі може робити програміст або оптимізувальний компілятор.

Метою розмотування циклу є збільшення швидкодії програми шляхом зменшення (або виключення) інструкцій контролю за циклом, таких як арифметика вказівників і перевірка на завершення циклу на кожній ітерації^[1], зменшення витрат на галуження, а також «приховування латентності, особливо, затримку в читанні даних з пам'яті»^[2]. Цикли можуть бути перезаписані як послідовності подібних незалежних інструкцій, і таким чином можуть бути усунені накладні витрати обчислення.^[3]

Переваги

Витрати в «строгих» циклах часто містять інструкції збільшення вказівника або перехід на наступний елемент у масиві (арифметика вказівників), а також перевірка завершення циклу. Якщо оптимізувальний компілятор або асемблер у стані преобчислити зсув для кожної індивідуально вказаної змінної масиву, вони можуть бути вбудовані в машинний код напряму, отже не потрібно додаткових арифметичних дій під час виконання (зауважте, що в прикладі поданому нижче так не відбувається).

• Значну користь можна отримати, якщо покращення в виконанні інструкцій з лишком компенсує будь-яке зменшення швидкодії спричинене збільшенням розміру програми;
• витрати на галуження мінімізовані;
• якщо операції в циклі незалежні одна від одної (тобто коли операція, що зустрічається раніше в циклі, не впливає на наступні операції), операції можуть потенційно виконуватись паралельно;
• може бути реалізоване динамічно, якщо кількість елементів масиву невідома під час компіляції.

Оптимізувальні компілятори іноді можуть виконувати розмотування циклу автоматично або за запитом.

Недоліки

• Розмір програми в результаті розмотування збільшується, що небажано, особливо для вбудованих застосунків;
• збільшення коду також може призвести до збільшення промахів кешу, що негативно впливає на швидкодію;
• якщо тільки розмотування не виконується компілятором, код може стати менш зрозумілим;
• якщо код в тілі циклу містить виклики функцій, може бути неможливим поєднати розмотування з інлайнингом, бо збільшення розміру може стати надмірним. Тож треба шукати компроміс між двома оптимізаціями.
• можливе збільшення використання регістрів в кожній ітерації для збереження тимчасових змінних, що може зменшити швидкодію (хоча багато залежить від можливих оптимізацій).^[4]

Статичне / Ручне розмотування циклу

Ручне (або статичне) розмотування циклу вимагає від програміста розбору циклу і перетворення ітерацій як послідовність інструкцій, які зменшать накладні витрати циклу. Динамічне розмотування виконується компілятором.

Простий приклад ручного розмотування в Сі

Підпрограма видаляє 100 елементів з колекції.

Звичайний цикл	Після розмотування
int x; for (x = 0; x < 100; x++) { delete(x); } //. //. //. //.	int x; for (x = 0; x < 100; x++) { delete(x); delete(++x); delete(++x); delete(++x); delete(++x); }

Розмотування WHILE циклів

Звичайний цикл	Після розмотування	Розмотаний цикл із «вивертом»
WHILE (condition) DO action ENDWHILE . . . . . .	WHILE (condition) DO action IF NOT(condition) THEN GOTO break action IF NOT(condition) THEN GOTO break action ENDWHILE LABEL break: .	IF (condition) THEN REPEAT { action IF NOT(condition) THEN GOTO break action IF NOT(condition) THEN GOTO break action } WHILE (condition) LABEL break:

Розмотаний швидше, бо ENDWHILE (який буде скомпільований в перехід на початок циклу) буде виконуватись на 66 % менш часто.

Навіть краще, приклад із «вивертом», який може бути виконаний деякими оптимізувальними компіляторами автоматично, виключає всі безумовні переходи.