アプリケーションを高速にする方法：C ++プロファイルの最適化

プロファイルの最適化は、ランタイムでアプリケーションコードを最適化する非常に興味深い方法です（Visual C開発チームでは、このメソッドは英語のプロファイルガイド付き最適化からPOGOまたはPGOと呼ばれます）。 プロファイルの最適化は、90年代後半にVisual CとMicrosoftの研究チームによって最初に適用されました。 その後、Itaniumアーキテクチャ用に設計されました。 その後、PGOはVisual Studio C / C ++ 2005に含まれました。今日では、Microsoftおよびその他の開発者のパフォーマンスを大幅に向上させる主な最適化プロセスです。
この投稿では、より高速で生産性の高いネイティブアプリケーションを作成する方法について説明します。 始めるには、PGOを詳しく見てから、いくつかの簡単な手順でこの最適化プロセスをアプリケーションに適用する方法の例（NBodyシミュレーション）を見てください。 動作するには、 例のソースコードを使用します。 プロジェクトをビルドするには、 DirectX SDKが必要です。

ネイティブアプリケーションを高速化する方法

従来のコンパイラは、静的ソースファイルに基づいて最適化を行います。 ソースファイルのテキストを分析しますが、ユーザーが入力したデータは考慮に入れません。これについては、コードから知ることは不可能です。 次の擬似コードを検討してください。


whichBranchIsTaken関数を使用する場合、コンパイラは、「a」パラメータが「b」パラメータよりも少なくなる頻度と、「if」条件が適用される回数を知りません（つまり、コンパイラは分岐を予測できません）。 devirtualizationおよびswitchCaseExpansion関数を使用する場合、コンパイラーは* pおよびi値について十分に知らないため、devirtualizationおよびパラメーター拡張を最適化できません。 これらの問題は、このコードフラグメントを異なるモジュール（たとえば、異なるオブジェクトファイル）に置き換えるとさらに深刻になります。これは、従来のコンパイルの機能をソースモジュール内で動作するように最適化できないためです。
コンパイラとリンカの基本モデルはそれほど悪くはありませんが、最適化のための2つの主な機会がありません。 まず、すべてのソースファイルの分析に基づいて取得できる情報は使用しません（従来のコンパイラは個々のオブジェクトファイルのみを最適化します）。 第二に、アプリケーションの期待される応答またはプロファイル応答に基づいて最適化を実行しません。 最初の欠陥は、コンパイラースイッチ（ / GL ）またはリンカースイッチ（ / LTCG ）を使用して修正できます。これは、完全なプログラム最適化を実行し、アプリケーションプロファイルの最適化に必要です。 プログラム全体の最適化を有効にした後、プロファイルの最適化を適用できます。 さらに詳しく見ていきましょう。
PGOは、重要または高性能のユーザースクリプト中に収集されたプロファイルデータを使用してアプリケーションを最適化するコンパイラランタイム最適化プロセスです。 プロファイルの最適化には、実稼働環境でのアプリケーションの動作が考慮されるため、従来の静的最適化に比べていくつかの利点があります。 これにより、オプティマイザーは速度の最適化（頻繁なユーザーシナリオの場合）またはサイズの最適化（まれなシナリオの場合）を実行できます。 その結果、コードはより簡潔になり、最終的にアプリケーションのパフォーマンスが向上します。



現在、PGOは従来のデスクトップアプリケーションでのみ使用でき、x86およびx64プラットフォームでサポートされています。 上の図に示すように、PGOは3段階のプロセスです。

• 通常、最初の段階は計測フェーズと呼ばれます。 このフェーズでは、コンパイルフラグの特定のセットを使用してアプリケーションが構築されます。 ビルドプロセス中に、内部コンパイラは、次のステップで必要なトレーニングデータを記録するために使用される生成されたコードにテスト命令（プローブ）を追加します。 合計で、3種類のプローブが追加されます（関数のエントリ、遷移、および値）。 関数入力プローブは、関数が要求された頻度を測定します。 移行プローブを使用すると、特定のコードブランチに到達した回数を調べることができます。 したがって、トレーニングフェーズ中に、コンパイラは、指定されたトレーニングスクリプトのコードブランチwhichBranchisTakenの「a> b」の頻度に関する情報を受け取ります。 値プローブを使用すると、値のヒストグラムを作成するためのデータを取得できます。 たとえば、switchCaseExpansionコードスニペットに追加された値プローブは、スイッチケースiインデックス変数の値のヒストグラムを構築するためのデータを提供します。 トレーニング中に変数「i」の値に関する情報を受け取ると、コンパイラは最も一般的な値とswitchCaseExpansionなどの関数に対して最適化できるようになります。 したがって、フェーズの終わりには、アプリケーションのインストルメントバージョン（プローブ付き）と空のデータベースファイル（.pgd）があり、次のフェーズで取得した情報が入力されます。
• 学習フェーズ 。 このフェーズでは、ユーザーはインストルメントバージョンのアプリケーションを起動し、高いパフォーマンスを必要とする標準ユーザースクリプトを再生します。 出力には、さまざまなユーザーシナリオに関連する情報を含む.pgcファイルがあります。 学習プロセスでは、情報は最初のフェーズで追加されたプローブを通過します。 出力では、pgc-files appname！＃（appnameはアプリケーションの名前に対応し、＃-1 + pgc-files appnameの数！＃ビルドの出力ディレクトリにあります）を取得します。
• PGOの最後のフェーズは最適化です。 このフェーズでは、アプリケーションの最適化されたバージョンが作成されます。 さらに、トレーニングフェーズで取得したpgcファイルからの情報は、インストルメンテーション中に作成されたデータベース（.pgdファイル）にバックグラウンドで入力されます。 内部コンパイラは、このデータベースを使用してコードをさらに最適化し、アプリケーションのさらに高度なバージョンを構築します。

PGOユーザーは、プロジェクトを構築するたびに3つのフェーズ（計測、トレーニング、最適化）をすべて実行する必要があると誤って信じています。 実際、最初の2つのフェーズは後続のバージョンの構築中に除外できますが、コードはアプリケーションのトレーニングフェーズ後に取得したバージョンと比較して大幅に変更される場合があります。 大規模なチームでは、1人の開発者がPGOを実施し、ソースコードリポジトリでトレーニングデータベース（.pgd）を管理する責任を負います。 他の開発者は、コードリポジトリをこのデータベースと同期し、トレーニングファイルを使用してPGO最適化バージョンのアプリケーションを構築できます。 一定回数の再コンパイルの後、アプリケーションは最終的に最適化されます。

プロファイル最適化の適用

プロファイルの最適化についてもう少し知ったので、特定の例を使用してそのアプリケーションを検討します。 アプリケーションのプロファイルの最適化は、Visual Studioまたは開発者のコ​​マンドラインを使用して実行できます。 以下は、従来「Nbody Simulation」と呼ばれるアプリケーションを使用してVisual Studioで作業する例です。 コマンドラインでPGOの詳細を知りたい場合は、 これらの記事を参照してください 。 開始するには、Visual Studioでソリューションをダウンロードし、ジョブのビルド構成（「リリース」など）を選択します。



上記のように、PGOは3つのフェーズで構成されます：計測、トレーニング、および最適化。 アプリケーションのインストルメントバージョンを作成するには、プロジェクト名（ "NBodyGravityCPU"）を右クリックし、[プロファイルガイド付き最適化]メニューの[インストルメント]セクションを選択します。



Visual Studioは、インストルメントバージョンのアプリケーションをビルドします。 その後、トレーニングフェーズに進むことができます。 インストルメントバージョンのアプリケーションを起動します。 これを行うには、「Profile Guided Optimization」メニューに移動し、「Run Instrumented / Optimized Application」を選択します。 この例では、高いパフォーマンスを必要とする安定したユーザースクリプトが実装されるため、アプリケーションは最大のコード本体（15360）で実行されます。 アプリケーションパフォーマンスの2つの主要な指標であるFPS（1秒あたりのフレーム数）とGFlopが安定したら、アプリケーションを閉じることができます。 この段階で、トレーニングフェーズが完了し、受信したデータが.pgcファイルに保存されます。 デフォルトでは、.pgcファイルはビルド構成に含まれます。 カタログ「リリース」。 たとえば、このトレーニングの結果として、ファイルNBodyGravityCPU！1.pgcが作成されます。



NBody Simulationは、PGOプロセスを説明するためだけに設計された非常にシンプルなアプリケーションです。 実際、アプリケーショントレーニングシナリオには多くのバリエーションがあります。 特に、時間で分割されたいくつかの段階でトレーニングを実行することが可能です。 このようなトレーニングシナリオを記録するには、インストルメントバージョンが既に作成された後（Visual Studioなど）に開発者のコ​​マンドラインでpgosweepコマンドを使用するのが最適です。



PGOの最終段階で、アプリケーションの最適化されたバージョンが作成されます。 [プロファイルガイド付き最適化]メニューから、[最適化]を選択します。 アプリケーションの最適化されたバージョンが作成されます。 PGOビルドの出力ログには、実行された操作に関する一般的な情報が表示されます。
上記のように、トレーニングフェーズで取得した.pgcファイルの情報は.pgdデータベースに含まれ、内部コンパイラの最適化マトリックスで使用されます。 ほとんどの場合（小さな高速アプリケーションを除く）、速度/サイズの最適化基準は、特定の関数の動的命令の比率によって決まります。 多数の命令（いわゆる「ホット」）を持つ関数は速度が最適化され、少数の命令（いわゆる「コールド」）ではサイズが最適化されます。
これは、アプリケーションでプロファイルの最適化を開始するために必要なほとんどすべてです。 アプリケーションにPGOを試して、結果を評価してください！ そして、必ずDeveloper Toolsブログをチェックしてください。他の興味深いソリューションが見つかるかもしれません！
投稿者：Ankit Asthana、Microsoft Visual C ++ Internal Compilerのプログラムマネージャー 。