基本介紹
- 中文名：循環展開
- 外文名：loop unrolling
- 定義：是一種犧牲程式的尺寸
- 優點：展開循環的好處
- 缺點：展開過度或展開非常大的循環時
定義,優缺點,靜態循環展開,動態展開,
定義
優缺點
展開循環的好處
由於展開能夠消除分支以及一些管理歸納變數的代碼，因此可以攤銷一些分支開銷。
展開可以積極調度（或管道化）循環以掩蓋一些延遲。如果有足夠的空閒暫存器使變數保持活動狀態，因為通過展開相關性鏈展露了關鍵路徑，這將非常有用。
如果疊代次數是可預測的，並且循環中沒有條件分支，則英特爾(R) 奔騰(R) 4 處理器可以正確預測疊代次數為 16 次或更少的內部循環的退出分支。因此，如果循環體不是太大，並且已知可探測的疊代次數，則可以展開內部循環，直到它們的疊代次數達到最大值 16。對於奔騰 III 或奔騰 II 處理器，請不要展開疊代次數大於 4 的循環。
展開循環的可能開銷
通常增加程式代碼大小可能是不合需要的，特別是對於嵌入式應用程式。 也可能導致指令快取未命中增加，這可能會對性能產生負面影響。
除非最佳化編譯器透明地執行，否則代碼可能會變得不那么可讀。
如果循環體中的代碼涉及函式調用，則可能無法將展開與內聯組合，因為代碼大小的增加可能過多。 因此，可以在兩個最佳化之間進行權衡。
在單次疊代中可能增加暫存器使用以存儲臨時變數，這可能會降低性能，儘管很大程度上取決於可能的最佳化。
除了非常小而簡單的代碼之外，包含分支的展開循環甚至比遞歸更慢。
靜態循環展開
手動（或靜態）循環展開涉及程式設計師分析循環並將疊代解釋為一系列指令，這將減少循環開銷。 這與由編譯器完成的動態展開形成對比。
C中的簡單手動示例
電腦程式中的過程是從集合中刪除100個項目。 這通常是通過調用函式delete（item_number）的for循環來完成的。 如果要最佳化程式的這一部分，並且與delete（x）循環相比，循環的開銷需要大量資源，則可以使用展開來加速它。
正常循環
int x; for (x = 0; x < 100; x++) { delete(x); }循環展開後
int x; for (x = 0; x < 100; x += 5 ) { delete(x); delete(x + 1); delete(x + 2); delete(x + 3); delete(x + 4); }這種修改的結果，新程式只需要進行20次疊代，而不是100次。之後，只需要採用20%的跳轉和條件分支，並且在多次疊代中表示可能顯著減少。循環管理開銷。為了產生最佳效益，不應在需要指針運算的展開代碼中指定變數。這通常需要“基礎加偏移”定址，而不是索引引用。
另一方面，這個手動循環展開將原始碼大小從3行擴展到7，必須生成，檢查和調試，並且編譯器可能必須分配更多暫存器來在擴展循環疊代中存儲變數。此外，必須仔細選擇循環控制變數和展開的循環結構內的運算元，以便結果確實與原始代碼中的相同（假設這是對已經工作的代碼的後續最佳化）。例如，考慮疊代計數不能被5整除的含義。如果測試條件是變數，則所需的手動修正也會變得更複雜。另見Duff的設備。
動態展開
由於循環展開的好處經常取決於數組的大小 - 這通常在運行時才知道 - JIT編譯器（例如）可以確定是否調用“標準”循環序列或者生成（相對較短） ）每個元素的單個指令序列。這種靈活性是即時技術與循環展開環境中的靜態或手動最佳化相比的優勢之一。在這種情況下，它通常具有相對較小的n值，其中節省仍然有用 - 需要非常小的（如果有的話）整體增加程式大小（可能僅包括一次，作為標準庫的一部分）。
彙編語言程式設計師（包括最佳化編譯器編寫器）也能夠從動態循環展開技術中受益，使用類似於用於高效分支表的方法。這裡的優勢是最大的，其中特定數組中任何引用欄位的最大偏移量小於可在機器指令中指定的最大偏移量（如果超出則將由彙編程式標記）。
下面的示例演示了用C編寫的簡單程式的動態循環展開。與上面的彙編程式示例不同，在此示例中，編譯器仍然生成指針/索引算法，因為變數（i）仍用於定址數組元素。 只有在替換語句中使用絕對索引時，才能進行完全最佳化。
#include <stdio.h> /* The number of entries processed per loop iteration. *//* Note that this number is a 'constant constant' reflecting the code below. */#define BUNCHSIZE (8) int main(void){ int i = 0; /* counter */ int entries = 50; /* total number to process */ int repeat; /* number of while repetitions*/ int left = 0; /* remainder (process later) */ /* If the number of elements is not be divisible by BLOCKSIZE, */ /* get repeat times required to do most processing in the while loop */ repeat = (entries / BUNCHSIZE); /* number of times to repeat */ left = (entries % BUNCHSIZE); /* calculate remainder */ /* Unroll the loop in 'bunches' of 8 */ while (repeat--) { printf("process(%d)\n", i ); printf("process(%d)\n", i + 1); printf("process(%d)\n", i + 2); printf("process(%d)\n", i + 3); printf("process(%d)\n", i + 4); printf("process(%d)\n", i + 5); printf("process(%d)\n", i + 6); printf("process(%d)\n", i + 7); /* update the index by amount processed in one go */ i += BUNCHSIZE; } /* Use a switch statement to process remaining by jumping to the case label */ /* at the label that will then drop through to complete the set */ switch (left) { case 7 : printf("process(%d)\n", i + 6); /* process and rely on drop through */ case 6 : printf("process(%d)\n", i + 5); case 5 : printf("process(%d)\n", i + 4); case 4 : printf("process(%d)\n", i + 3); case 3 : printf("process(%d)\n", i + 2); case 2 : printf("process(%d)\n", i + 1); /* two left */ case 1 : printf("process(%d)\n", i); /* just one left to process */ case 0 : ; /* none left */ }}