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Lane0218 422a30e5a8 style(doc): 完善实验文档验证要求

2026-03-12 16:25:20 +08:00

5.8 KiB

Raw Blame History

Lab6：并行与循环优化

1. 本实验定位

Lab6 的目标是在 Lab5 基本标量优化之后，面向“循环密集型代码”继续优化。
本实验重点不是再补语义覆盖，而是提升中后端对循环结构的处理能力，为性能优化打基础。

核心方向：

循环识别与规范化
循环相关优化（如不变代码外提、强度削弱等）
可并行循环分析与并行化改造（可选，按课程要求推进）

2. 先看这一点：循环优化依赖分析结果

循环优化通常依赖一组基础分析：

CFG 与支配关系
循环层次信息（LoopInfo）
def-use/use-def 与副作用信息（保证变换合法）

如果这些基础信息不稳定，循环优化很容易“优化错程序”。
因此 Lab6 建议先把分析链路和验证手段搭好，再做具体变换。

3. Lab6 要求

需要同学完成：

在现有 IR 上识别循环结构（至少能区分循环头、循环体、回边）。
实现有效的循环优化，并保证语义不变。
将循环优化并入 PassManager，与 Lab5 的优化流程协同工作。
对优化前后结果做回归验证，并给出性能或代码规模对比（至少一种指标）。
可选：尝试实现可并行循环识别与并行化改造（按课程要求）。

4. 当前代码框架

IR 与分析
- include/ir/IR.h
- src/ir/analysis/DominatorTree.cpp
- src/ir/analysis/LoopInfo.cpp
IR 优化
- src/ir/passes/
入口与验证
- src/main.cpp

5. 需要修改的文件

核心文件
- src/ir/analysis/LoopInfo.cpp（完善循环分析）
- src/ir/passes/PassManager.cpp（接入新的循环优化 pass）
- 新增循环优化 pass 文件（建议放在 src/ir/passes/ 下）
视实现需要可能修改
- src/ir/analysis/DominatorTree.cpp（若分析信息不足）
- include/ir/IR.h、src/ir/Instruction.cpp（若需要补充指令属性）
- src/ir/IRPrinter.cpp（调试输出增强）

6. 可选优化方向

循环不变代码外提（LICM）
归纳变量简化与强度削弱
循环展开（小规模、受控展开）
循环分裂
简单并行化识别（无跨迭代写后读/写后写冲突时标记可并行） ...

7. 简要优化原理

7.1 循环不变量外提（Loop Invariant Code Motion）

原理：
将循环中“每次迭代结果都不变”的表达式移动到循环外执行。若某表达式不依赖循环内变化的值，并且其操作数在循环内不被改写，则它是循环不变量。

作用：
减少循环体内重复计算，降低迭代开销。

实现思路：
先识别循环结构，再判断循环体中哪些表达式对所有迭代恒定。把这些表达式外提到循环前置块（或等价安全位置），循环体改用外提结果。

7.2 强度削弱（Strength Reduction）

原理：
将高开销运算替换为等价低开销运算。典型场景是把循环中的乘法/除法改写为增量更新（加减）。

作用：
降低每次迭代的算术成本，提高整体执行效率。

实现思路：
识别归纳变量与其线性相关表达式，判断是否可改写为递增/递减更新。引入辅助变量后，用加减替代高成本运算并保持语义一致。

7.3 循环展开（Loop Unrolling）

原理：
一次迭代中执行多份循环体副本。

作用：
减少控制指令比例，提高指令级并行机会，也有利于后续向量化或流水线优化。

实现思路：
选择展开因子，复制循环体并调整步长。若总迭代次数不能整除展开因子，需要保留余数迭代处理路径以保证结果正确。

7.4 循环分裂（Loop Fission）

原理：
把一个包含多类语句的循环拆成多个循环，每个循环执行原循环的一部分语句。

作用：
降低单个循环体复杂度，改善数据局部性，并为并行化/向量化创造条件。

实现思路：
先做数据依赖分析。若若干语句间不存在阻碍重排的依赖，可将其拆分到不同循环中，同时维持必要执行顺序保证语义不变。

7.5 循环并行化（Loop Parallelization）

原理：
把循环不同迭代同时执行，以利用多核并行能力。前提是迭代间不存在破坏语义的数据依赖。

作用：
在数据规模较大时可显著缩短运行时间，尤其适用于数值计算与批量数据处理。

实现思路：
先判定迭代间读写依赖。若可并行，则将迭代划分为任务并分发到线程/处理单元；结束后进行同步与归并，确保结果正确。

8. 推荐实验流程

跑通循环分析。
选择循环优化实现
接入 PassManager 。
用样例验证正确性。
统计优化前后差异。

9. 构建与验证

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build build -j "$(nproc)"

9.1 功能回归

./scripts/verify_ir.sh test/test_case/simple_add.sy test/test_result/ir --run
./scripts/verify_asm.sh test/test_case/simple_add.sy test/test_result/asm --run

--run 模式下脚本会自动读取同名 .in，并将程序输出与退出码和同名 .out 比对。

完成 Lab6 后，不能只检查 simple_add 这类单个样例，而应对 test/test_case 下全部测试用例逐个回归；如有需要，也可以自行编写批量测试脚本统一执行。

9.2 优化效果对比（示例）

# 对比优化前后 IR/汇编输出（按你实现的开关或日志方式执行）
./build/bin/compiler --emit-ir test/test_case/simple_add.sy
./build/bin/compiler --emit-asm test/test_case/simple_add.sy

这里的 simple_add 只用于展示如何观察单个样例的输出差异；实际评估优化效果时，仍应结合更多测试用例，必要时覆盖全部测试集。

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