Техника инструментирования кода и оптимизация кодовых строк при моделировании фазовых переходов на языке программирования C++ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Труды ИСП РАН, том 27, вып. 6, 2015 г..

Техника инструментирования кода и оптимизация кодовых строк при моделировании фазовых переходов на языке программирования C++

Е.В. Пальчееский <[email protected]>

А.Р. Халиков <[email protected]> УГАТУ, 450000, Россия, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

Аннотация. В данной статье рассматриваются техника написания кода, с помощью которой можно сэкономить время для написания определенной программы, техника инструментирования кода на языке высокого уровня C++. Приведены примеры алгоритмов написания кода для системных программ и рассмотрены

оптимизированные компиляторы, за счет которых можно сократить время компиляции и ускорить работу программы.

Ключевые слова: код; оптимизация кода; инструментирование кода; техника написания кода; C++; программирование

1. Введение

Не является секретом тот факт, что техника инструментирования кода - это одна из самых важных составляющих частей, которая позволяет выполнить поставленную задачу максимально качественно.

Актуальность выбранной темы подтверждается тем, что сфера программирования востребована, а язык C++ занимает одну из лидирующих позиций, что подтверждает диаграмма, отображенная на рис.1.

87

Trudy ISP RAN [The Proceedings of ISP RAS], vol. 27, issue 6, 2015.

Рис. 1. Статистика языков программирования в 2003-2012 годах [1]

C++ - это язык программирования высокого уровня, который является компилируемым и предназначен для решения задач различного уровня. Этот язык очень широко используется в разработке программного обеспечения и является одним из самых популярных языков программирования. Область разработки включает в себя как написание консольных программ с выводом обычных сообщений, так и разработка крупных проектов, к примеру, операционная система Windows. Методики программирования на данном языке - это своеобразный структурированный алгоритм, за счет которого можно как ускорить работу кода, так и грамотно его разделить по частям, тем самым создавая удобства при программировании какого-либо проекта [2].

Если брать в сравнение с языком «С», то можно отметить следующие основные нововведения:

• в данном языке программирования, включена поддержка объектно-ориентированного программирования через классы, что позволяет строить абстрактные типа данных, к примеру, структуры и перечисления, интерфейсы, метаклассы, подпроцессы и характеризовать их своими функциями и особенностями;

• имеется поддержка программирования через шаблоны функций и классов, если называть иначе, то «обобщённое программирование», которое дает возможность описания алгоритмов и данных так, что можно не менять самого описания и есть возможность применить это описание к различным типам данных;

• появилась возможность обрабатывать исключения, что позволяет описывать реакцию программы на ошибки времени выполнения и другие проблемы, называемые «исключениями», появление которых может возникнуть при компиляции

88

Труды ИСП РАН, том 27, вып. 6, 2015 г..

программы и могут привести к невозможной ее дальнейшей отладке;

• виртуальная функция или виртуальный метод. Используется для переопределения в классах-наследниках для того, чтобы вызов для конкретной реализации метода будет определен во время исполнения самой программы;

• встраиваемые функции «inline», которые используются для ускорения программы. Сам вызов функции занимает намного больше времени, чем код, который будет без написания данных функций. И если использовать встроенные функции для замены вызовов, то компиляция программы будет ускорена в 5-6 раз;

• перегрузка имен функций, которая позволяет определять множество функций с одинаковым именем и с точным типом возвращаемого значения.

2. Техника написания кода на языке программирования C++

Для того чтобы код функционировал правильно - нужно тщательно продумывать логику будущей программы.

Нужно разработать алгоритм программы, за счет которого будет написан будущий код. Грамотный подход составления алгоритма программы - это написание будущей программы псевдокодом, который использует ключевые слова языков программирования и опускает специфический синтаксис.

2.1 Обозначение структуры кода

Кодовая структура - это неотъемлемая составляющая всего кода, за счет которой достигается «понимание» программы [3].

Работать с определенными функциями очень удобно, так как есть разделяющие компоненты связанности, что упрощает структурированность всей программы. Но более удобно работать с такими вещами, как публичные классы с определенной точностью символов и отличающимися названиями. В качестве примера можно привести два публичных класса с конструкторами и деструкторами [4]:

• class UfaClass: public ParentClass И Название класса «UfaClass», в котором имеется публичный родительский класс «ParentClass».

{

public.

UfaClassQ; // конструктор

~UfaClassO; // деструктор protected:

// Доступ элементов секции из родительского класса, private:

89

Trudy ISP RAN [The Proceedings of ISP RAS], vol. 27, issue 6, 2015.

// элементы доступны по умолчанию из класса.

};

и второй точно такой же публичный класс, с точно таким же названием:

• class UfaClass: public ParentClass И Название класса «UfaClass», в котором имеется публичный родительский класс «ParentClass».

{

public:

UfaClassQ; И конструктор ~UfaClassQ; И деструктор protected:

// Доступ элементов секции из родительского класса, private:

// элементы доступны по умолчанию из класса.

};

Несмотря на комментарии в самом коде, можно запутаться даже в самой небольшой структуре кода программы. Именно поэтому рекомендуется использовать разные заголовки классов и публичных функций [5].

2.2 Внятные и краткие комментарии к написанному коду

Для более быстрой ориентации в коде, нужно оставлять комментарии после каждого написанного класса или функции, что показано в следующем примере, в котором рассмотрено выравнивание данных в оперативной памяти:

• struct М{ II

char nr, И целочисленный (символьный) тип данных long int р\ II целочисленный тип данных «р» int п;

};

3. Оптимизация кода на языке C++

Кодовая оптимизация - это преобразования кода за счет различных методов с целью улучшения различных атрибутов и характеристик. Основными целями кодовой оптимизации являются три составляющие:

• ускорение компиляции кода;

• ускорение работы самой программы;

• уменьшение объема кода;

• уменьшение потребления системных ресурсов.

Кодовая оптимизация может производить двумя способами:

• ручной способ. Программист сам отыскивает нужные участки кода и производит оптимизацию;

90

Труды ИСП РАН, том 27, вып. 6, 2015 г.

• автоматизированный способ, в котором оптимизацию выполняют «оптимизирующие компиляторы». В качестве примера можно привести компилятор «VTune Amplifier», который умеет анализировать код полностью и показывать время компиляции того или иного участка кода.

Пример скриншота программы приведен на рис.З.

Щ Hotspots Hnt'OOt л O Intel VTune Amplifier XE 201 3

. [ S! Analysis Target] Analysts Type | til Summary

■ ■ ftlivon nanuo/ IAt/A

1 Grouping: (Function /Call Slack |CPUFunction/tPllStack-CPU Time call Stack

| Function / Cal Stack losiisiiHi J- Wievnng 4 1 of 1 ^ selected sta<k{s) 1 —.

1 f4*Vi|^MixedStadffiTest_ 22.276s iriNdjstads_test.dll ■ | 100.0%{22.276s of 22.276s] / |

Native function ..5.170s ■ nu ^S^cksjEst.dll mixed stadcs tesLdlibme consume - mixed stacks test.c

_^1.429s| —J >—i i dii^ mixed starts test.cfl'lava MhcedStartcsTest TestNativePart-mixed starts t...

ffirpSftBP^Binrci FJI ~ 0.172s c Native module fComcded Java code! iMixedStadcsTest: TestNativePart - MocedStacksTest.iava:0

QWaitforSngleObject 0.119s ~~- rComoled Java codel 'MixedStadcsTest: :fbo4-MixedStadsTest.tava:88

13 JVM_F*idSicjBi 0.104s jvm.dl fComcded Java code! IMixedStadcsTest: :fbo3 - MixedStadcsTest iava:83

SJVM_Clone 0.099s jvm.dl rComoled Java codel 'MixedStadcsTest: :fbo2 -MixedStadcsTest.tava:80

SQvm.d] 0.095s jvm.dl fComcded Java codel IMixedStadcsTest: :fool - MixedStadcsTest iava:77

BZnQjervPgfarnBnciprnijntPT 0.051s , ntdll.ri TComoled Java codel 'MixedStadcsTest: :run •MbredStadcsTest.iava:74

Selected 1 rew(s): AJ ± 22.276s! ■1 J i: ГОупагткcodeliol stub ""^5 ivm.dt'IVM done ""-ч. w

Java path in 'N 4,^^ the stack ^)

Puc. 3. Пример работы программы с компилятором «VTune Amplifier» [6].

Существуют несколько типов ручной оптимизации:

• -оптимизация, суть которой состоит в том, что идет рассмотрение «инструкций», чтобы сделать вывод: можно ли сделать с ними какую-нибудь трансформацию для кодовой оптимизации [7];

• внутрипроцедурная оптимизация - это глобальная оптимизация, которая выполняется целиком и только в рамках одной единицы трансляции: функции. Данная оптимизация эффективнее, к примеру, чем локальная и позволяет достигать оптимизационных эффектов в разы больше, за счет больше затребованной информации и системных ресурсов, которые понадобятся для различных вычислений;

• локальная оптимизация охватывает рассмотрение информационный базовый блог, строго за один шаг. В самих базовых блоках нет переходов к потокам управления, что значит следующее: данная оптимизация экономит время и оперативную память, но теряет информацию к следующему шагу оптимизации;

• оптимизационные циклы (оптимизация циклов) - это одна из самых важных оптимизаций в самой программе, так как большие количество циклов замедляет как работу программы, так и компиляцию кода. Если объединять несколько циклов в один, то компилятору будет легче компилировать, за счет уменьшения вызовов функций и объема кода;

91

Trudy ISP RAN [The Proceedings of ISP RAS], vol. 27, issue 6, 2015.

• межпроцедурная оптимизация. С помощью данного метода оптимизации можно анализировать сразу весь код, без определенного поиска нужных блоковых частей. Встраивание копии тела функций, с помощью данного метода, позволяет сэкономить системные ресурсы, которые связаны именно с вызовом функций.

Можно привести пример «выравнивания данных» с оптимизационными методами. Выравнивание данных - это способ выравнивания данных в оперативной памяти вычислительной техники (компьютера), который помогает разместить данные таким образом, что доступ к ним будет ускорен в несколько раз.

В качестве первого кода, возьмем структуру попе» и зададим в ней следующие параметры:

• struct опе{

char т; // целочисленный (символьный) тип данных long int р: II целочисленный тип данных «р» int п;

};

данная структура занимает 24 байта. Узнать это можно с помощью вывода <<sizeof(A)». А если логически поменять местами целочисленный тип данных «р» с «п», то получится следующая структура «two»:

• struct two{

char m; 11 целочисленный (символьный) тип данных

int п;

long int p: 11 целочисленный тип данных «р»

};

Таким образом, структура будет занимать уже 16 байт, а не 24. Связанно это с тем, что на 64-х битной операционной системе, считывание памяти происходит участками, которые равны 8 байтам. Пример считывания для данной программы:

Под первую структуру подсчет памяти будет вестись следующим образом:

1 байт выдается под структуру «one», остальные 7 байт остаются

пустыми;

нужно добавить 8 байт под целочисленный тип данных «р»;

и под «п» выделяется 4 байта и 4 остаются пустыми.

(1+7) + 8 + (4+4) = 24 байта, что не совсем рационально.

Под вторую структуру подсчет будет вестись другим образом:

1 байт выдается под структуру «two», остальные 3 байта - пустые и нужно прибавить 4 байта под тип данных «/?». Сокращение произошло за счет изменения структуры целочисленных типов данных;

92

Труды ИСП РАН, том 27, вып. 6, 2015 г..

Выделение 8 байт происходит для целочисленного типа данных «р». (1+3+4) + 8 = 16 байт, что выглядит более рационально.

Данная оптимизация напрямую влияет на скорость компиляции кода. Результаты тестирования приведены в таблице 1.

Табл. 1 - Тестирование кодовых структур на скорость компиляции

Кодовая структура Общая скорость компиляции, мс. Параметр «debug», мс. Параметр «realese», мс.

«опе» 14 8 6

«two» 12 7 5

В качестве теста использовали программу для моделирования кинетики упорядочения бинарных сплавов по вакансионному механизму диффузии состава АпВт в модели твердых сфер [8].

Тестирование проводилось на машине (конфигурация):

• CPU 2 х IntelХеоп 5660 (в сумме 12 ядер / 24 потока по 2.8GHz, \2МЬ Cache, 6.40 GT/s);

• RAM32Gb DDR3-10600ECCREG;

• Intel S3 710 SSDSC2BA 012T401.

Компилятор, на котором производилось тестирование: Microsoft Visual Studio 2010.

Таким образом, при смене логических выражений числовых типов данных, можно оптимизировать и ускорить структуру «two» и снизить объем потреблении оперативной памяти.

4. Заключение

В данной статье была рассмотрена статистика языков программирования по популярности, после обсуждения которой был выяснен тот факт, что язык программирования C++ является одним из самых популярных языков программирования высокого уровня. После обсуждения статистики были рассмотрены базовые аспекты языка программирования C++ с примерами, а также детально рассмотрены методики программирования на C++, которые позволяют сделать код более удобным и практичным. Приведены примеры оптимизирующих компиляторов, за счет которых можно оптимизировать код в автоматическом режиме, а также рассмотрены виды ручной оптимизации, за счет которых можно ускорить работу программы и компиляцию. Приведены примеры структурированного кода с заменой логических выражений различных типов данных для оптимизации потребления оперативной памяти персонального компьютера и ускорения компиляции программы с разными параметрами для двух структур.

93

Trudy ISP RAN [The Proceedings of ISP RAS], vol. 27, issue 6, 2015.

Список литературы:

[1] . Материалы с ресурса HABRAHABR: http://habrahabr.ru/

[Электронный ресурс] // Хабрахабр

[2] . Стивен Прага. Язык программирования C++ - Вильямс, 2012.

[3] . Медведев В.И. Особенности объектно-ориентированного программирования на

C++/CLI, C# и Java - РИЦ «Школа», 2010.

[4] . Литвиненко Н.А. Технология программирования на C++. Win32 API-приложения -

РИЦ «Школа», 2010.

[5] . Страуструп Бьярн. Программирование. Принципы и практика использования C++

- «Вильямс», 2011.

[6] . Материалы с ресурсов INTEL: http://www.intel.com/

[Электронный ресурс] // INTEL

[7] . Каретин И.И., Макаров В.А. Энергосберегающая оптимизация кода за счет

использования отключаемых компонентов процессора / Труды Института системного программирования РАН Том 19. 2010 г. Стр. 187-194.

[8] . Халиков А.Р., Искандаров А.М. Моделирование кинетики упорядочения

бинарного сплава по вакансионному механизму диффузии в модели твердых сфер / Известия высших учебных заведений. Физика. 2012 г. №12. Стр. 87.

94

Труды ИСП РАН, том 27, вып. 6, 2015 г..

Technique The Instrumentation A Code And Optimization of code lines in modeling phase transitions on the programming language C++

EVPalchevsky <[email protected]>

AR Khalikov <[email protected]>

USATU, 450000, Russia, Ufa, st. Marx, 12

Abstract. This article discusses the technique of writing code you can use to save time to write a particular program, the technique of instrumentation code in language C ++. The article gives examples of algorithms for writing code for software programs and considers optimized compilers, by which you can reduce the build time and speed the program.

Keywords: code; code optimization; code instrumentation; techniques of writing code; C++; programming.

References

[1] . Materials with resource HABRAHABR: http://habrahabr.ru/

[Electronic resource] // Habrahabr

[2] . Steven Pratt. The programming language C++ - Williams 2012.

[3] . Medvedev V.I. Features of object-oriented programming in C++ / CLI, C# and Java -

RIP "School", 2010.

[4] . Litvinenko N.A. Programming Technology in C++. Win32 API-application - RIP

"School", 2010.

[5] . Bjame Stroustrup 5. Programming. Principles and practice of using C++ - «Williams»

2011.

[6] . Materials with resources INTEL: http://www.intel.com/

[Electronic resource] // INTEL

[7] . Karetin I.I., Makarov V.A. Jenergosberegajushhaja optimizacija koda za schet

ispol'zovanija otkljuchaemyh komponentov processora [Energy optimization of code by using disconnected components CPU] / Trudy ISP RAN [The Proceedings of ISP RAS], Volume 19, 2010, pp. 187-194. (in Russian)

[8] . Khalikov A.R., Iskandarov A.M. . Modelirovanie kinetiki upoijadochenija binamogo

splava po vakansionnomu mehanizmu diffuzii v modeli tverdyh sfer [Modeling the kinetics of ordering of the binary alloy of the vacancy mechanism of diffusion in the model of hard spheres] / Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Fizika [Proceedings of the higher educational institutions. Physics], 2012, №12. Pp. 87. (in Russian)

95