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[sbcl.git] / doc / manual / efficiency.texinfo
1 @node Efficiency
2 @comment  node-name,  next,  previous,  up
3 @chapter Efficiency
4 @cindex Efficiency
5
6 @menu
7 * Slot access::
8 * Dynamic-extent allocation::
9 * Modular arithmetic::
10 * Global and Always-Bound variables::
11 * Miscellaneous Efficiency Issues::
12 @end menu
13
14 @node  Slot access
15 @comment  node-name,  next,  previous,  up
16 @section Slot access
17 @cindex Slot access
18
19 @subsection Structure object slot access
20
21 Structure slot accessors are efficient only if the compiler is able to
22 open code them: compiling a call to a structure slot accessor before
23 the structure is defined, declaring one @code{notinline}, or passing
24 it as a functional argument to another function causes severe
25 perfomance degradation.
26
27 @subsection Standard object slot access
28
29 The most efficient way to access a slot of a @code{standard-object} is
30 by using @code{slot-value} with a constant slot name argument inside a
31 @code{defmethod} body, where the variable holding the instance is a
32 specializer parameter of the method and is never assigned to. The cost
33 is roughly 1.6 times that of an open coded structure slot accessor.
34
35 Second most efficient way is to use a CLOS slot accessor, or
36 @code{slot-value} with a constant slot name argument, but in
37 circumstances other than specified above. This may be up to 3 times as
38 slow as the method described above.
39
40 Example:
41
42 @lisp
43 (defclass foo () ((bar)))
44
45 ;; Fast: specializer and never assigned to
46 (defmethod quux ((foo foo) new)
47   (let ((old (slot-value foo 'bar)))
48     (setf (slot-value foo 'bar) new)
49     old))
50
51 ;; Slow: not a specializer
52 (defmethod quux ((foo foo) new)
53   (let* ((temp foo)
54          (old (slot-value temp 'bar)))
55     (setf (slot-value temp 'bar) new)
56     old))
57
58 ;; Slow: assignment to FOO
59 (defmethod quux ((foo foo) new)
60   (let ((old (slot-value foo 'bar)))
61     (setf (slot-value foo 'bar) new)
62     (setf foo new)
63     old))
64 @end lisp
65
66 Note that when profiling code such as this, the first few calls to the
67 generic function are not representative, as the dispatch mechanism is
68 lazily set up during those calls.
69
70 @node  Dynamic-extent allocation
71 @comment  node-name,  next,  previous,  up
72 @section Dynamic-extent allocation
73 @cindex @code{dynamic-extent} declaration
74 @cindex declaration, @code{dynamic-extent}
75
76 SBCL has fairly extensive support for performing allocation on the
77 stack when a variable is declared @code{dynamic-extent}. The
78 @code{dynamic-extent} declarations are not verified, but are simply
79 trusted as long as @code{sb-ext:*stack-allocate-dynamic-extent*} is
80 true.
81
82 @include var-sb-ext-star-stack-allocate-dynamic-extent-star.texinfo
83
84 If dynamic extent constraints specified in the Common Lisp standard
85 are violated, the best that can happen is for the program to have
86 garbage in variables and return values; more commonly, the system will
87 crash.
88
89 In particular, it is important to realize that dynamic extend is
90 contagious:
91
92 @lisp
93 (let* ((a (list 1 2 3))
94        (b (cons a a)))
95    (declare (dynamic-extent b))
96    ;; Unless A is accessed elsewhere as well, SBCL will consider
97    ;; it to be otherwise inaccessible -- it can only be accessed
98    ;; through B, after all -- and stack allocate it as well.
99    ;;
100    ;; Hence returning (CAR B) here is unsafe.
101    ...)
102 @end lisp
103
104 This allows stack allocation of complex structures. As a notable
105 exception to this, SBCL does not as of 1.0.48.21 propagate
106 dynamic-extentness through @code{&rest} arguments -- but another
107 conforming implementation might, so portable code should not rely on
108 this.
109
110 @lisp
111 (declaim (inline foo))
112 (defun foo (fun &rest arguments)
113   (declare (dynamic-extent arguments))
114   (apply fun arguments))
115
116 (defun bar (a)
117   ;; SBCL will heap allocate the result of (LIST A), and stack allocate
118   ;; only the spine of the &rest list -- so this is safe, but unportable.
119   ;;
120   ;; Another implementation, including earlier versions of SBCL might consider
121   ;; (LIST A) to be otherwise inaccessible and stack-allocate it as well!
122   (foo #'car (list a)))
123 @end lisp
124
125 There are many cases when @code{dynamic-extent} declarations could be
126 useful. At present, SBCL implements stack allocation for
127
128 @itemize
129
130 @item
131 @code{&rest} lists, when these are declared @code{dynamic-extent}.
132
133 @item
134 @findex @cl{cons}
135 @findex @cl{list}
136 @findex @cl{list*}
137 @findex @cl{vector}
138 @code{cons}, @code{list}, @code{list*}, and @code{vector} when the
139 result is bound to a variable declared @code{dynamic-extent}.
140
141 @item
142 @findex @cl{make-array}
143 simple forms of @code{make-array}, whose result is bound to a variable
144 declared @code{dynamic-extent}: stack allocation is possible only if
145 the resulting array is known to be both simple and one-dimensional,
146 and has a constant @code{:element-type}.
147
148 @cindex Safety optimization quality
149 @strong{Note}: stack space is limited, so allocation of a large vector
150 may cause stack overflow. For this reason potentially large vectors,
151 which might circumvent stack overflow detection, are stack allocated
152 only in zero @code{safety} policies.
153
154 @item
155 @findex @cl{flet}
156 @findex @cl{labels}
157 @cindex @code{safety} optimization quality
158 @cindex optimization quality, @code{safety}
159 closures defined with @code{flet} or @code{labels}, with a bound
160 @code{dynamic-extent} declaration. Blocks and tags are also allocated
161 on the heap, unless all non-local control transfers to them are
162 compiled with zero @code{safety}.
163
164 @item
165 user-defined structures when the structure constructor defined using
166 @code{defstruct} has been declared @code{inline} and the result of the
167 call to the constructor is bound to a variable declared
168 @code{dynamic-extent}.
169
170 @strong{Note}: structures with ``raw'' slots can currently be
171 stack-allocated only on x86 and x86-64.
172
173 @item
174 all of the above when they appear as initial parts of another
175 stack-allocated object.
176
177 @end itemize
178
179 Examples:
180
181 @lisp
182 ;;; Declaiming a structure constructor inline before definition makes
183 ;;; stack allocation possible.
184 (declaim (inline make-thing))
185 (defstruct thing obj next)
186
187 ;;; Stack allocation of various objects bound to DYNAMIC-EXTENT
188 ;;; variables.
189 (let* ((list (list 1 2 3))
190        (nested (cons (list 1 2) (list* 3 4 (list 5))))
191        (vector (make-array 3 :element-type 'single-float))
192        (thing (make-thing :obj list
193                           :next (make-thing :obj (make-array 3)))))
194   (declare (dynamic-extent list nested vector thing))
195   ...)
196
197 ;;; Stack allocation of arguments to a local function is equivalent
198 ;;; to stack allocation of local variable values.
199 (flet ((f (x)
200          (declare (dynamic-extent x))
201          ...))
202   ...
203   (f (list 1 2 3))
204   (f (cons (cons 1 2) (cons 3 4)))
205   ...)
206
207 ;;; Stack allocation of &REST lists
208 (defun foo (&rest args)
209   (declare (dynamic-extent args))
210   ...)
211 @end lisp
212
213 Future plans include
214
215 @itemize
216
217 @item
218 Automatic detection of the common idiom of calling quantifiers with a
219 closure, even when the closure is not declared @code{dynamic-extent}.
220
221 @end itemize
222
223 @node  Modular arithmetic
224 @comment  node-name,  next,  previous,  up
225 @section Modular arithmetic
226 @cindex Modular arithmetic
227 @cindex Arithmetic, modular
228 @cindex Arithmetic, hardware
229 @findex @cl{logand}
230 Some numeric functions have a property: @var{N} lower bits of the
231 result depend only on @var{N} lower bits of (all or some)
232 arguments. If the compiler sees an expression of form @code{(logand
233 @var{exp} @var{mask})}, where @var{exp} is a tree of such ``good''
234 functions and @var{mask} is known to be of type @code{(unsigned-byte
235 @var{w})}, where @var{w} is a ``good'' width, all intermediate results
236 will be cut to @var{w} bits (but it is not done for variables and
237 constants!). This often results in an ability to use simple machine
238 instructions for the functions.
239
240 Consider an example.
241
242 @lisp
243 (defun i (x y)
244   (declare (type (unsigned-byte 32) x y))
245   (ldb (byte 32 0) (logxor x (lognot y))))
246 @end lisp
247
248 The result of @code{(lognot y)} will be negative and of type
249 @code{(signed-byte 33)}, so a naive implementation on a 32-bit
250 platform is unable to use 32-bit arithmetic here. But modular
251 arithmetic optimizer is able to do it: because the result is cut down
252 to 32 bits, the compiler will replace @code{logxor} and @code{lognot}
253 with versions cutting results to 32 bits, and because terminals
254 (here---expressions @code{x} and @code{y}) are also of type
255 @code{(unsigned-byte 32)}, 32-bit machine arithmetic can be used.
256
257 As of SBCL 0.8.5 ``good'' functions are @code{+}, @code{-};
258 @code{logand}, @code{logior}, @code{logxor}, @code{lognot} and their
259 combinations; and @code{ash} with the positive second
260 argument. ``Good'' widths are 32 on HPPA, MIPS, PPC, Sparc and x86 and
261 64 on Alpha.  While it is possible to support smaller widths as well,
262 currently this is not implemented.
263
264 @node  Global and Always-Bound variables
265 @comment  node-name,  next,  previous,  up
266 @section Global and Always-Bound variables
267
268 @include macro-sb-ext-defglobal.texinfo
269
270 @deffn {Declaration} @sbext{global}
271
272 Syntax: @code{(sb-ext:global symbol*)}
273
274 Only valid as a global proclamation.
275
276 Specifies that the named symbols cannot be proclaimed or locally
277 declared @code{special}. Proclaiming an already special or constant
278 variable name as @code{global} signal an error. Allows more efficient
279 value lookup in threaded environments in addition to expressing
280 programmer intention.
281 @end deffn
282
283 @deffn {Declaration} @sbext{always-bound}
284
285 Syntax: @code{(sb-ext:always-bound symbol*)}
286
287 Only valid as a global proclamation.
288
289 Specifies that the named symbols is always bound. Inhibits @code{makunbound}
290 of the named symbols. Proclaiming an unbound symbol as @code{always-bound} signals
291 an error. Allows compiler to elide boundness checks from value lookups.
292 @end deffn
293
294 @node  Miscellaneous Efficiency Issues
295 @comment  node-name,  next,  previous,  up
296 @section Miscellaneous Efficiency Issues
297
298 FIXME: The material in the CMUCL manual about getting good
299 performance from the compiler should be reviewed, reformatted in
300 Texinfo, lightly edited for SBCL, and substituted into this
301 manual. In the meantime, the original CMUCL manual is still 95+%
302 correct for the SBCL version of the Python compiler. See the
303 sections
304
305 @itemize
306 @item Advanced Compiler Use and Efficiency Hints
307 @item Advanced Compiler Introduction
308 @item More About Types in Python
309 @item Type Inference
310 @item Source Optimization
311 @item Tail Recursion
312 @item Local Call
313 @item Block Compilation
314 @item Inline Expansion
315 @item Object Representation
316 @item Numbers
317 @item General Efficiency Hints
318 @item Efficiency Notes
319 @end itemize
320
321 Besides this information from the CMUCL manual, there are a few other
322 points to keep in mind.
323
324 @itemize
325
326 @item
327 @findex @cl{let}
328 @findex @cl{let*}
329 @findex @cl{setq}
330 @findex @cl{setf}
331 The CMUCL manual doesn't seem to state it explicitly, but Python has a
332 mental block about type inference when assignment is involved. Python
333 is very aggressive and clever about inferring the types of values
334 bound with @code{let}, @code{let*}, inline function call, and so
335 forth. However, it's much more passive and dumb about inferring the
336 types of values assigned with @code{setq}, @code{setf}, and
337 friends. It would be nice to fix this, but in the meantime don't
338 expect that just because it's very smart about types in most respects
339 it will be smart about types involved in assignments.  (This doesn't
340 affect its ability to benefit from explicit type declarations
341 involving the assigned variables, only its ability to get by without
342 explicit type declarations.)
343
344 @c <!-- FIXME: Python dislikes assignments, but not in type
345 @c     inference. The real problems are loop induction, closed over
346 @c     variables and aliases. -->
347
348 @item
349 Since the time the CMUCL manual was written, CMUCL (and thus SBCL) has
350 gotten a generational garbage collector. This means that there are
351 some efficiency implications of various patterns of memory usage which
352 aren't discussed in the CMUCL manual. (Some new material should be
353 written about this.)
354
355 @item
356 SBCL has some important known efficiency problems.  Perhaps the most
357 important are
358
359 @itemize @minus
360
361 @item
362 The garbage collector is not particularly efficient, at least on
363 platforms without the generational collector (as of SBCL 0.8.9, all
364 except x86).
365
366 @item
367 Various aspects of the PCL implementation of CLOS are more inefficient
368 than necessary.
369
370 @end itemize
371
372 @end itemize
373
374 Finally, note that Common Lisp defines many constructs which, in
375 the infamous phrase, ``could be compiled efficiently by a
376 sufficiently smart compiler''. The phrase is infamous because
377 making a compiler which actually is sufficiently smart to find all
378 these optimizations systematically is well beyond the state of the art
379 of current compiler technology. Instead, they're optimized on a
380 case-by-case basis by hand-written code, or not optimized at all if
381 the appropriate case hasn't been hand-coded. Some cases where no such
382 hand-coding has been done as of SBCL version 0.6.3 include
383
384 @itemize
385
386 @item
387 @code{(reduce #'f x)} where the type of @code{x} is known at compile
388 time
389
390 @item
391 various bit vector operations, e.g.  @code{(position 0
392 some-bit-vector)}
393
394 @item
395 specialized sequence idioms, e.g.  @code{(remove item list :count 1)}
396
397 @item
398 cases where local compilation policy does not require excessive type
399 checking, e.g.  @code{(locally (declare (safety 1)) (assoc item
400 list))} (which currently performs safe @code{endp} checking internal
401 to assoc).
402
403 @end itemize
404
405 If your system's performance is suffering because of some construct
406 which could in principle be compiled efficiently, but which the SBCL
407 compiler can't in practice compile efficiently, consider writing a
408 patch to the compiler and submitting it for inclusion in the main
409 sources. Such code is often reasonably straightforward to write;
410 search the sources for the string ``@code{deftransform}'' to find many
411 examples (some straightforward, some less so).