当 GaussDB 遇上了毕昇编译器

2023-06-12
广东
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当应用软件及硬件确定后，编译器对应用的自动优化将成为应用性能的关键。

从应用优化说起

一个应用的优化通常有架构级优化、模块级优化和函数级优化，高性能作为云数据库 GaussDB 主打特性之一，其在这几方面都进行了大量的优化，也有很强的性能表现。如何进一步提升性能，是否还有其他方面的切入点？

答案之一是编译器，编译器作为人机交流的桥梁，一方面正确地把高级语言翻译成机器语言，另一方通过各种优化变换方法生成更高效的等价语义，所以当应用软件及硬件确定后，编译器对应用的自动优化将成为应用性能的关键。

1. 毕昇编译器是什么

毕昇编译器是华为编译器实验室针对通用处理器架构构建，支持 C/C++/Fortran 编程语言，增强和引入了多种编译优化技术，致力于打造高性能、高可信及易扩展的编译器工具链。毕昇编译器针对鲲鹏架构深度优化，SPEC CPU 2017 性能较开源 GCC 提升 30%。

高性能：编译深度优化，增强多核并行化，自动向量化等，大幅提升指令和数据呑吐量。
多算力支持：支持其他 Arm 架构国产芯片，如飞腾。支持 x86、RISC-V、龙芯等架构。
高可信：商业+自研测试套，每日 100 万+测试用例，全面质量保障；开发态提供多种安全编码工具；社区 CVE 及时修复；车规级安全认证。

2. 相关编译器优化技术

2.1 函数内联（inline）

函数/过程是编程语言的重要组成部分，函数/过程之间的调用是有一定的开销，比如保存和恢复上下文、传递参数等操作开销。函数内联优化是一种常用的优化技术，它可以将函数调用处直接替换为函数体，从而减少函数调用的开销。下面是一个简单的示例，展示了如何在编译器中应用 inline 优化。

int square(int x) {return x * x;}int calculate(int a) {return square(a) + square(a + 1);}

复制代码

编译器进行自动内联后，如下：

int calculate(int a) {return (a * a) + ((a + 1) * (a + 1));}

复制代码

在优化后的代码中，不再有调用 square 函数的开销，另外内联后可以帮助编译器发现更多的优化机会，比如本例中，可以进一步进行编译期间的计算。

这只是一个简单的例子，实际的编译器 inline 优化会更为复杂，涉及到更多的优化策略和技术。毕昇编译器进行了 inline 优化增强，如下是 mataERP 场景下 inline 的情况。

函数内联后对应用热补丁机制有一定影响，制作工作量会略有增加。

2.2 指令预取优化

指令预取（Instruction Prefetching）是一种计算机体系结构中的优化技术，用于提前获取未来可能需要执行的指令数据，并将其预加载到指令缓存中，以减少指令访问延迟和提高程序的执行效率。

在执行程序时，处理器需要从内存中获取指令数据并进行解码和执行。由于内存访问的延迟比处理器的执行速度慢，处理器可能需要等待指令数据的到达，导致指令执行的停滞。为了克服这种延迟，指令预取技术被引入。

指令预取的基本原理是根据程序的访存模式和分支预测信息，提前预测和获取未来可能需要执行的指令数据。这样，当处理器执行到需要这些指令的时候，它们已经被预先加载到指令缓存（例如指令高速缓存）中，避免了等待时间。

如下面这个来自 GaussDB 的函数：

毕昇编译器（右侧）插入了 prfm 预取指令，prfm 是鲲鹏平台上定义的内存数据预取指令，执行指令预取优化。

2.3 自动向量化技术

自动向量化技术是编译器利用硬件架构提供的 SIMD（single instruction multiple data）指令，如 Arm 的 NEON/SVE 指令，x86 平台的 SSE/AVX 指令，一条指令可以处理多路数据，从而提升应用二进制的执行效率。毕昇编译器做了大量向量化新场景识别和算法增强，并结合鲲鹏 SIMD 指令特点进行深度优化。

如上图，如有两组四个整形数据相加运算，左侧需要四次操作，而右侧向量化后只需要 1 次操作。

2.4 链接时优化技术

链接时优化 LTO（Link Time Optimization）是程序链接期优化，也叫链接期过程间优化。如下图，编译器在链接时将所有编译单元（过程）合并在一起，这样可以发掘不同过程间的优化机会，比如内联（inline）、函数特化（function specialization）、冗余代码消除、常量传播等等，通常可以获得更高的性能收益。当然同时也带来编译器时间加长的负面收益。