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 #19
 166   (let ((dx (if (foo)
 167                 (list x)
 168                 (list y z))))
 169     (declare (dynamic-extent dx))
 170     ...)
 171
 172 DX is not allocated on stack.
 173 --------------------------------------------------------------------------------
 174 #20
 175 (defun-with-dx foo (x)
 176   (flet ((make (x)
 177            (let ((l (list nil nil)))
 178              (setf (first l) x)
 179              (setf (second l) (1- x))
 180              l)))
 181     (let ((l (make x)))
 182       (declare (dynamic-extent l))
 183       (mapc #'print l))))
 184
 185 Result of MAKE is not stack allocated, which means that
 186 stack-allocation of structures is impossible.
 187 --------------------------------------------------------------------------------
 188 #21
 189 (defun-with-dx foo ()
 190   (let ((dx (list (list 1 2) (list 3 4))))
 191     (declare (dynamic-extent dx))
 192     ...))
 193
 194 External list in DX is allocated on stack, but internal are not.
 195 --------------------------------------------------------------------------------
 196 #22
 197 IR2 does not perform unused code flushing.
 198 --------------------------------------------------------------------------------
 199 #23
 200 Python does not know that &REST lists are LISTs (and cannot derive it).
 201 --------------------------------------------------------------------------------
 202 #24
 203 a. Iterations on &REST lists, returning them as VALUES could be
 204    rewritten with &MORE vectors.
 205 b. Implement local unknown-values mv-call (useful for fast type checking).
 206 --------------------------------------------------------------------------------
 207 #26
 208 SBCL cannot derive upper bound for I and uses generic arithmetic here:
 209
 210 (defun foo (l)
 211   (declare (vector l))
 212   (dotimes (i (length l))
 213     (if (block nil
 214           (map-foo (lambda (x) (if x (return t)))
 215                    l))
 216         t
 217         nil)))
 218
 219 (So the constraint propagator or a possible future SSA-convertor
 220 should know the connection between an NLE and its CLEANUP.)
 221 --------------------------------------------------------------------------------
 222 #27
 223 Initialization of stack-allocated arrays is inefficient: we always
 224 fill the vector with zeroes, even when it is not needed (as for
 225 platforms with conservative GC or for arrays of unboxed objectes) and
 226 is performed later explicitely.
 227 --------------------------------------------------------------------------------
 228 #28
 229 a. Accessing raw slots in structure instances is more inefficient than
 230 it could be; if we placed raw slots before the header word, we would
 231 not need to do arithmetic at runtime to access them.  (But beware:
 232 this would complicate handling of the interior pointer).
 233
 234 b. (Also note that raw slots are currently disabled on HPPA)
 235 --------------------------------------------------------------------------------
 236 #29
 237 Python is overly zealous when converting high-level CL functions, such
 238 as MIN/MAX, LOGBITP, and LOGTEST, to low-level CL functions.  Reducing
 239 Python's aggressiveness would make it easier to effect changes such as
 240
 241 x86-64:
 242 * direct MIN/MAX on {SINGLE,DOUBLE}-FLOATs ({MIN,MAX}S{S,D})
 243
 244 x86-64:
 245 * direct LOGBITP on word-sized integers and fixnums (BT + JC)
 246
 247 x86{,-64}/PPC:
 248 * branch-free MIN/MAX on word-sized integers and fixnums (floats could
 249   be handled too, modulo safety considerations on the PPC)
 250
 251 x86-64:
 252 * efficient LOGTESTs on word-sized integers and fixnums (TEST)
 253
 254 etc., etc.
 255
 256 (The framework for this has been implemented as of 0.9.9.18; see the
 257 vm-support-routine COMBINATION-IMPLEMENTATION-STYLE and its use in
 258 src/compiler/ir1opt.lisp, IR1-OPTIMIZE-COMBINATION.  The above
 259 optimizations are left as an exercise for the reader.)
 260 --------------------------------------------------------------------------------
 261 #30
 262 (defun foo (x y)
 263   (< x y))
 264
 265 FOO's IR1 representation is roughly:
 266
 267 (defun foo (x y)
 268   (if (< x y)
 269       T
 270       NIL))
 271
 272 However, if a full call is generated for < (and similarly for other
 273 predicate functions), then the IF is unnecessary, since the return value
 274 of (< x y) is already T or NIL.
 275 --------------------------------------------------------------------------------
 276 #31
 277 The typecheck generated for a declaration like (integer 0 45) on x86 looks
 278 like:
 279
 280 ;      12B:       F6C203           TEST DL, 3
 281 ;      12E:       753B             JNE L1
 282 ;      130:       8BC2             MOV EAX, EDX
 283 ;      132:       83F800           CMP EAX, 0
 284 ;      135:       7C34             JL L1
 285 ;      137:       8BC2             MOV EAX, EDX
 286 ;      139:       3DB4000000       CMP EAX, 180
 287 ;      13E:       7F2B             JNLE L1
 288
 289 A better code sequence for this would be:
 290
 291   TEST DL, 3
 292   JNE L1
 293   MOV EAX, EDX
 294   CMP EAX, 180
 295   JBE L1
 296
 297 Doing an unsigned comparison means that, similarly to %CHECK-BOUND, we can
 298 combine the <0 and >=bound tests.  This sort of test is generated often
 299 in SBCL and any array-based code that's serious about type-checking its
 300 indices.
 301 --------------------------------------------------------------------------------
 302 #32
 303 The code for a vector bounds check on x86 (similarly on x86-64) where
 304 the vector is in EDX and the index in EAX looks like:
 305
 306 ;       49: L0:   8B5AFD           MOV EBX, [EDX-3]
 307 ;       4C:       39C3             CMP EBX, EAX
 308 ;       4E:       7632             JBE L2
 309
 310 because %CHECK-BOUND is used for bounds-checking any array dimension.
 311 A more efficient specialization (%CHECK-BOUND/VECTOR) would produce:
 312
 313   CMP [EDX-3], EAX
 314   JBE L2
 315
 316 Which is slightly shorter and avoids using a register.
 317 --------------------------------------------------------------------------------
 318 #33
 319 Reports from the Java camp indicate that using an SSE2-based
 320 floating-point backend on x86 when possible is highly preferable to
 321 using the x86 FP stack.  It would be nice if SBCL included an SSE2-based
 322 floating point backend with a compile-time option to switch between the
 323 two.
 324 --------------------------------------------------------------------------------
 325 #34
 326 Compiling
 327
 328 (defun foo (x y)
 329   (declare (type (integer 0 45) x y))
 330   (+ x y))
 331
 332 results in the following error trapping code for type-checking the
 333 arguments:
 334
 335 ;      424: L0:   8B058CE31812     MOV EAX, [#x1218E38C]      ; '(MOD 46)
 336 ;      42A:       0F0B0A           BREAK 10                   ; error trap
 337 ;      42D:       05               BYTE #X05
 338 ;      42E:       1F               BYTE #X1F                  ; OBJECT-NOT-TYPE-ERROR
 339 ;      42F:       FECE01           BYTE #XFE, #XCE, #X01      ; EDI
 340 ;      432:       0E               BYTE #X0E                  ; EAX
 341 ;      433: L1:   8B0590E31812     MOV EAX, [#x1218E390]      ; '(MOD 46)
 342 ;      439:       0F0B0A           BREAK 10                   ; error trap
 343 ;      43C:       03               BYTE #X03
 344 ;      43D:       1F               BYTE #X1F                  ; OBJECT-NOT-TYPE-ERROR
 345 ;      43E:       8E               BYTE #X8E                  ; EDX
 346 ;      43F:       0E               BYTE #X0E                  ; EAX
 347
 348 Notice that '(MOD 46) has two entries in the constant vector.  Having
 349 one would be preferable.
 350 --------------------------------------------------------------------------------
 351 #35
 352 Compiling
 353
 354 (defun foo (a i)
 355   (declare (type simple-vector a))
 356   (aref a i))
 357
 358 results in the following x86 code:
 359
 360 ; 115886E9:       F7C703000000     TEST EDI, 3                ; no-arg-parsing entry point
 361 ;      6EF:       7510             JNE L0
 362 ;      6F1:       8BC7             MOV EAX, EDI
 363 ;      6F3:       83F800           CMP EAX, 0
 364 ;      6F6:       7C09             JL L0
 365 ;      6F8:       8BC7             MOV EAX, EDI
 366 ;      6FA:       3DF8FFFF7F       CMP EAX, 2147483640
 367 ;      6FF:       7E0F             JLE L1
 368 ;      701: L0:   8B057C865811     MOV EAX, [#x1158867C]      ; '(MOD
 369                                                               ;   536870911)
 370 ;      707:       0F0B0A           BREAK 10                   ; error trap
 371 ;      70A:       05               BYTE #X05
 372 ;      70B:       1F               BYTE #X1F                  ; OBJECT-NOT-TYPE-ERROR
 373 ;      70C:       FECE01           BYTE #XFE, #XCE, #X01      ; EDI
 374 ;      70F:       0E               BYTE #X0E                  ; EAX
 375 ;      710: L1:   8B42FD           MOV EAX, [EDX-3]
 376 ;      713:       8BCF             MOV ECX, EDI
 377 ;      715:       39C8             CMP EAX, ECX
 378 ;      717:       7620             JBE L2
 379 ;      719:       8B540A01         MOV EDX, [EDX+ECX+1]
 380
 381 ... plus the standard return sequence and some error blocks.  The
 382 `TEST EDI, 3' and associated comparisons are to ensure that `I' is a
 383 positive fixnum.  The associated comparisons are unnecessary, as the
 384 %CHECK-BOUND VOP only requires its tested index to be a fixnum and takes
 385 care of the negative fixnum case itself.
 386
 387 {HAIRY-,}DATA-VECTOR-REF are DEFKNOWN'd with EXPLICIT-CHECK, which would
 388 seem to take care of this, but EXPLICIT-CHECK only seems to be used when
 389 compiling calls to unknown functions or similar.  Furthermore,
 390 EXPLICIT-CHECK, as NJF understands it, doesn't have the right
 391 semantics--it suppresses all type checking of arguments, whereas what we
 392 really want is to ensure that the argument is a fixnum, but not check
 393 its positiveness.
 394 --------------------------------------------------------------------------------
 395 #36
 396
 397 In #35, the CMP EAX, $foo instructions are all preceded by a MOV.  They
 398 appear to be unnecessary, but are necessary because in IR2, EDI is a
 399 DESCRIPTOR-REG, whereas EAX is an ANY-REG--and the comparison VOPs only
 400 accept ANY-REGs.  Therefore, the MOVs are "necessary" to ensure that the
 401 comparison VOP receives an TN of the appropriate storage class.
 402
 403 Obviously, it would be better if a) we only performed one MOV prior to
 404 all three comparisons or b) eliminated the necessity of the MOV(s)
 405 altogether.  The former option is probably easier than the latter.