OPTIMIZATIONS

   1 #1
   2 (defun mysl (s)
   3     (declare (simple-string s))
   4     (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (debug 0)))
   5     (let ((c 0))
   6       (declare (fixnum c))
   7       (dotimes (i (length s))
   8         (when (eql (aref s i) #\1)
   9           (incf c)))
  10       c))
  11
  12 * On X86 I is represented as a tagged integer.
  13
  14 * Unnecessary move:
  15   3: SLOT S!11[EDX] {SB-C::VECTOR-LENGTH 1 7} => t23[EAX]
  16   4: MOVE t23[EAX] => t24[EBX]
  17
  18 --------------------------------------------------------------------------------
  19 #2
  20 (defun quux (v)
  21   (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (space 2) (debug 0)))
  22   (declare (type (simple-array double-float 1) v))
  23   (let ((s 0d0))
  24     (declare (type double-float s))
  25     (dotimes (i (length v))
  26       (setq s (+ s (aref v i))))
  27     s))
  28
  29 * Python does not combine + with AREF, so generates extra move and
  30   allocates a register.
  31
  32 * On X86 Python thinks that all FP registers are directly accessible
  33   and emits costy MOVE ... => FR1.
  34
  35 --------------------------------------------------------------------------------
  36 #3
  37 (defun bar (n)
  38   (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (space 2))
  39            (type fixnum n))
  40   (let ((v (make-list n)))
  41     (setq v (make-array n))
  42     (length v)))
  43
  44 * IR1 does not optimize away (MAKE-LIST N).
  45 --------------------------------------------------------------------------------
  46 #4
  47 (defun bar (v1 v2)
  48   (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (space 2))
  49            (type (simple-array base-char 1) v1 v2))
  50   (dotimes (i (length v1))
  51     (setf (aref v2 i) (aref v1 i))))
  52
  53 VOP DATA-VECTOR-SET/SIMPLE-STRING V2!14[EDI] t32[EAX] t30[S2]>t33[CL]
  54                                   => t34[S2]<t35[AL]
  55         MOV     #<TN t33[CL]>, #<TN t30[S2]>
  56         MOV     BYTE PTR [EDI+EAX+1], #<TN t33[CL]>
  57         MOV     #<TN t35[AL]>, #<TN t33[CL]>
  58         MOV     #<TN t34[S2]>, #<TN t35[AL]>
  59
  60 * The value of DATA-VECTOR-SET is not used, so there is no need in the
  61   last two moves.
  62
  63 * And why two moves?
  64 --------------------------------------------------------------------------------
  65 #8
  66 (defun foo (d)
  67   (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (debug 0)))
  68   (declare (type (double-float 0d0 1d0) d))
  69   (loop for i fixnum from 1 to 5
  70         for x1 double-float = (sin d) ;;; !!!
  71         do (loop for j fixnum from 1 to 4
  72                  sum x1 double-float)))
  73
  74 Without the marked declaration Python will use boxed representation for X1.
  75
  76 This is equivalent to
  77
  78 (let ((x nil))
  79   (setq x 0d0)
  80   ;; use of X as DOUBLE-FLOAT
  81 )
  82
  83 The initial binding is effectless, and without it X is of type
  84 DOUBLE-FLOAT. Unhopefully, IR1 does not optimize away effectless
  85 SETs/bindings, and IR2 does not perform type inference.
  86 --------------------------------------------------------------------------------
  87 #9 "Multi-path constant folding"
  88 (defun foo (x)
  89   (if (= (cond ((irgh x) 0)
  90                ((buh x) 1)
  91                (t 2))
  92          0)
  93       :yes
  94       :no))
  95
  96 This code could be optimized to
  97
  98 (defun foo (x)
  99   (cond ((irgh x) :yes)
 100         ((buh x) :no)
 101         (t :no)))
 102 --------------------------------------------------------------------------------
 103 #11
 104 (inverted variant of #9)
 105
 106 (lambda (x)
 107   (let ((y (sap-alien x c-string)))
 108     (list (alien-sap y)
 109           (alien-sap y))))
 110
 111 It could be optimized to
 112
 113 (lambda (x) (list x x))
 114
 115 (if Y were used only once, the current compiler would optimize it)
 116 --------------------------------------------------------------------------------
 117 #12
 118 (typep (truly-the (simple-array * (*)) x) 'simple-vector)
 119
 120 tests lowtag.
 121 --------------------------------------------------------------------------------
 122 #13
 123 FAST-+/FIXNUM and similar should accept unboxed arguments in interests
 124 of representation selection. Problem: inter-TN dependencies.
 125 --------------------------------------------------------------------------------
 126 #14
 127 The derived type of (/ (THE (DOUBLE-FLOAT (0D0)) X) (THE (DOUBLE-FLOAT
 128 1D0) Y)) is (DOUBLE-FLOAT 0.0d0). While it might be reasonable, it is
 129 better to derive (OR (MEMBER 0.0d0) (DOUBLE-FLOAT (0.0d0))).
 130 --------------------------------------------------------------------------------
 131 #15
 132 On the alpha, the system is reluctant to refer directly to a constant bignum,
 133 preferring to load a large constant through a slow sequence of instructions,
 134 then cons up a bignum for it:
 135
 136 (LAMBDA (A)
 137   (DECLARE (OPTIMIZE (SAFETY 1) (SPEED 3) (DEBUG 1))
 138            (TYPE (INTEGER -10000 10000) A)
 139            (IGNORABLE A))
 140   (CASE A
 141     ((89 125 16) (ASH A (MIN 18 -706)))
 142     (T (DPB -3 (BYTE 30 30) -1))))
 143 --------------------------------------------------------------------------------
 144 #16
 145 (do ((i 0 (1+ i)))
 146     ((= i (the (integer 0 100) n)))
 147   ...)
 148
 149 It is commonly expected for Python to derive (FIXNUMP I). (If ``='' is
 150 replaced with ``>='', Python will do.)
 151 --------------------------------------------------------------------------------
 152 #17
 153 Type tests for (ARRAY BIT), (ARRAY T) and similar go through full
 154 %TYPEP, even though it is relatively simple to establish the arrayness
 155 of an object and also to obtain the element type of an array.  As of
 156 sbcl-0.8.12.30, this affects at least DUMP-OBJECT through
 157 COMPOUND-OBJECT-P, and (LABELS MAYBE-EMIT-MAKE-LOAD-FORMS GROVEL)
 158 through TYPEP UNBOXED-ARRAY, within the compiler itself.
 159 --------------------------------------------------------------------------------
 160 #18
 161 (lambda (x) (declare (null x)) (sxhash x)) goes through SYMBOL-HASH
 162 rather than either constant-folding or manipulating NIL-VALUE or
 163 NULL-TN directly.
 164 --------------------------------------------------------------------------------
 165 #20
 166 (defun-with-dx foo (x)
 167   (flet ((make (x)
 168            (let ((l (list nil nil)))
 169              (setf (first l) x)
 170              (setf (second l) (1- x))
 171              l)))
 172     (let ((l (make x)))
 173       (declare (dynamic-extent l))
 174       (mapc #'print l))))
 175
 176 Result of MAKE is not stack allocated.
 177 --------------------------------------------------------------------------------
 178 #22
 179 IR2 does not perform unused code flushing.
 180 --------------------------------------------------------------------------------
 181 #24
 182 a. Iterations on &REST lists, returning them as VALUES could be
 183    rewritten with &MORE vectors.
 184 b. Implement local unknown-values mv-call (useful for fast type checking).
 185 --------------------------------------------------------------------------------
 186 #26
 187 SBCL cannot derive upper bound for I and uses generic arithmetic here:
 188
 189 (defun foo (l)
 190   (declare (vector l))
 191   (dotimes (i (length l))
 192     (if (block nil
 193           (map-foo (lambda (x) (if x (return t)))
 194                    l))
 195         t
 196         nil)))
 197
 198 (So the constraint propagator or a possible future SSA-convertor
 199 should know the connection between an NLE and its CLEANUP.)
 200 --------------------------------------------------------------------------------
 201 #27
 202 Initialization of stack-allocated arrays is inefficient: we always
 203 fill the vector with zeroes, even when it is not needed (as for
 204 platforms with conservative GC or for arrays of unboxed objectes) and
 205 is performed later explicitely.
 206
 207 (This is harder than it might look at first glance, as MAKE-ARRAY is smart
 208 enough to eliminate something like ':initial-element 0'.  Such an optimization
 209 is valid if the vector is being allocated in the heap, but not if it is being
 210 allocated on the stack.  You could remove this optimization, but that makes
 211 the heap-allocated case somewhat slower...)
 212
 213 To do this, extend ALLOCATE-VECTOR with ALLOW-JUNK argument, and when
 214 stack allocating don't zero if it is true -- and probably ALLOW-JUNK iff
 215 the vector is a specialized one (cannot have pointers.)
 216 --------------------------------------------------------------------------------
 217 #28
 218 a. Accessing raw slots in structure instances is more inefficient than
 219 it could be; if we placed raw slots before the header word, we would
 220 not need to do arithmetic at runtime to access them.  (But beware:
 221 this would complicate handling of the interior pointer).
 222
 223 b. (Also note that raw slots are currently disabled on HPPA)
 224 --------------------------------------------------------------------------------
 225 #29
 226 Python is overly zealous when converting high-level CL functions, such
 227 as MIN/MAX, LOGBITP, and LOGTEST, to low-level CL functions.  Reducing
 228 Python's aggressiveness would make it easier to effect changes such as
 229
 230 x86-64:
 231 * direct MIN/MAX on {SINGLE,DOUBLE}-FLOATs ({MIN,MAX}S{S,D})
 232
 233 x86-64:
 234 * direct LOGBITP on word-sized integers and fixnums (BT + JC)
 235
 236 x86{,-64}/PPC:
 237 * branch-free MIN/MAX on word-sized integers and fixnums (floats could
 238   be handled too, modulo safety considerations on the PPC)
 239
 240 x86-64:
 241 * efficient LOGTESTs on word-sized integers and fixnums (TEST)
 242
 243 etc., etc.
 244
 245 (The framework for this has been implemented as of 0.9.9.18; see the
 246 vm-support-routine COMBINATION-IMPLEMENTATION-STYLE and its use in
 247 src/compiler/ir1opt.lisp, IR1-OPTIMIZE-COMBINATION.  The above
 248 optimizations are left as an exercise for the reader.)
 249 --------------------------------------------------------------------------------
 250 #30
 251 (defun foo (x y)
 252   (< x y))
 253
 254 FOO's IR1 representation is roughly:
 255
 256 (defun foo (x y)
 257   (if (< x y)
 258       T
 259       NIL))
 260
 261 However, if a full call is generated for < (and similarly for other
 262 predicate functions), then the IF is unnecessary, since the return value
 263 of (< x y) is already T or NIL.
 264 --------------------------------------------------------------------------------
 265 #31
 266 The typecheck generated for a declaration like (integer 0 45) on x86 looks
 267 like:
 268
 269 ;      12B:       F6C203           TEST DL, 3
 270 ;      12E:       753B             JNE L1
 271 ;      130:       8BC2             MOV EAX, EDX
 272 ;      132:       83F800           CMP EAX, 0
 273 ;      135:       7C34             JL L1
 274 ;      137:       8BC2             MOV EAX, EDX
 275 ;      139:       3DB4000000       CMP EAX, 180
 276 ;      13E:       7F2B             JNLE L1
 277
 278 A better code sequence for this would be:
 279
 280   TEST DL, 3
 281   JNE L1
 282   MOV EAX, EDX
 283   CMP EAX, 180
 284   JBE L1
 285
 286 Doing an unsigned comparison means that, similarly to %CHECK-BOUND, we can
 287 combine the <0 and >=bound tests.  This sort of test is generated often
 288 in SBCL and any array-based code that's serious about type-checking its
 289 indices.
 290 --------------------------------------------------------------------------------
 291 #32
 292 The code for a vector bounds check on x86 (similarly on x86-64) where
 293 the vector is in EDX and the index in EAX looks like:
 294
 295 ;       49: L0:   8B5AFD           MOV EBX, [EDX-3]
 296 ;       4C:       39C3             CMP EBX, EAX
 297 ;       4E:       7632             JBE L2
 298
 299 because %CHECK-BOUND is used for bounds-checking any array dimension.
 300 A more efficient specialization (%CHECK-BOUND/VECTOR) would produce:
 301
 302   CMP [EDX-3], EAX
 303   JBE L2
 304
 305 Which is slightly shorter and avoids using a register.
 306 --------------------------------------------------------------------------------
 307 #33
 308 Reports from the Java camp indicate that using an SSE2-based
 309 floating-point backend on x86 when possible is highly preferable to
 310 using the x86 FP stack.  It would be nice if SBCL included an SSE2-based
 311 floating point backend with a compile-time option to switch between the
 312 two.
 313 --------------------------------------------------------------------------------
 314 #35
 315 Compiling
 316
 317 (defun foo (a i)
 318   (declare (type simple-vector a))
 319   (aref a i))
 320
 321 results in the following x86 code:
 322
 323 ; 115886E9:       F7C703000000     TEST EDI, 3                ; no-arg-parsing entry point
 324 ;      6EF:       7510             JNE L0
 325 ;      6F1:       8BC7             MOV EAX, EDI
 326 ;      6F3:       83F800           CMP EAX, 0
 327 ;      6F6:       7C09             JL L0
 328 ;      6F8:       8BC7             MOV EAX, EDI
 329 ;      6FA:       3DF8FFFF7F       CMP EAX, 2147483640
 330 ;      6FF:       7E0F             JLE L1
 331 ;      701: L0:   8B057C865811     MOV EAX, [#x1158867C]      ; '(MOD
 332                                                               ;   536870911)
 333 ;      707:       0F0B0A           BREAK 10                   ; error trap
 334 ;      70A:       05               BYTE #X05
 335 ;      70B:       1F               BYTE #X1F                  ; OBJECT-NOT-TYPE-ERROR
 336 ;      70C:       FECE01           BYTE #XFE, #XCE, #X01      ; EDI
 337 ;      70F:       0E               BYTE #X0E                  ; EAX
 338 ;      710: L1:   8B42FD           MOV EAX, [EDX-3]
 339 ;      713:       8BCF             MOV ECX, EDI
 340 ;      715:       39C8             CMP EAX, ECX
 341 ;      717:       7620             JBE L2
 342 ;      719:       8B540A01         MOV EDX, [EDX+ECX+1]
 343
 344 ... plus the standard return sequence and some error blocks.  The
 345 `TEST EDI, 3' and associated comparisons are to ensure that `I' is a
 346 positive fixnum.  The associated comparisons are unnecessary, as the
 347 %CHECK-BOUND VOP only requires its tested index to be a fixnum and takes
 348 care of the negative fixnum case itself.
 349
 350 {HAIRY-,}DATA-VECTOR-REF are DEFKNOWN'd with EXPLICIT-CHECK, which would
 351 seem to take care of this, but EXPLICIT-CHECK only seems to be used when
 352 compiling calls to unknown functions or similar.  Furthermore,
 353 EXPLICIT-CHECK, as NJF understands it, doesn't have the right
 354 semantics--it suppresses all type checking of arguments, whereas what we
 355 really want is to ensure that the argument is a fixnum, but not check
 356 its positiveness.
 357 --------------------------------------------------------------------------------
 358 #36
 359
 360 In #35, the CMP EAX, $foo instructions are all preceded by a MOV.  They
 361 appear to be unnecessary, but are necessary because in IR2, EDI is a
 362 DESCRIPTOR-REG, whereas EAX is an ANY-REG--and the comparison VOPs only
 363 accept ANY-REGs.  Therefore, the MOVs are "necessary" to ensure that the
 364 comparison VOP receives an TN of the appropriate storage class.
 365
 366 Obviously, it would be better if a) we only performed one MOV prior to
 367 all three comparisons or b) eliminated the necessity of the MOV(s)
 368 altogether.  The former option is probably easier than the latter.
 369
 370 --------------------------------------------------------------------------------
 371 #38
 372
 373 (setf (subseq s1 start1 end1) (subseq s2 start2 end1))
 374
 375 could be transformed into
 376
 377 (let ((#:s2 s2)
 378       (#:start2 start2)
 379       (#:end2 end2))
 380  (replace s1 #:s2 :start1 start1 :end1 end1 :start2 #:start2 :end2 #:end2))
 381
 382 when the return value is unused, avoiding the need to cons up the new sequence.
 383
 384 --------------------------------------------------------------------------------
 385 #39
 386
 387 (let ((*foo* 42)) ...)
 388
 389 currently compiles to code that ensures the TLS index at runtime, which
 390 is both a decently large chunk of code and unnecessary, as we could ensure
 391 the TLS index at load-time as well.
 392
 393 --------------------------------------------------------------------------------
 394 #40
 395
 396 When FTYPE is declared -- to say (function (t t t t t) t), and
 397 function has a compiler-macro,
 398
 399   (apply #'foo 'x1 x2 'x3 more)
 400
 401 can be transformed into
 402
 403   (apply (lambda (x2 x4 x5) (foo 'x1 x2 'x3 x4 x5)) x2 more)
 404
 405 which allows compiler-macro-expansion for FOO. (Only constant
 406 arguments can be moved inside the new lambda -- otherwise evaluation
 407 order is altered.)
 408
 409 --------------------------------------------------------------------------------
 410 #41
 411
 412 The unibyte external formats are written in a very generic way.  Three
 413 optimizations immediately applicable that could be automatically
 414 generated:
 415
 416 (a) if the external format merely permutes the first 256 characters, a
 417     constant-time lookup (rather than a binary search) could be
 418     performed on output.  This applies at least to EBCDIC, which
 419     currently has a hand-rolled mapper instead.
 420
 421 (b) if there are no undefined characters corresponding to the 256
 422     codes, then no error checking need be done on input.
 423
 424 (c) if there is a way to use particular bits of the exceptional
 425     characters, constant-time output (rather than binary search) can
 426     still be achieved as used to be done by the latin-9 external
 427     format before 1.0.31.