QBE - 编译器后端：版本 1.3

# QBE - 编译器后端 来源：https://c9x.me/compile/release/qbe-1.3.html - 简介 (https://c9x.me/compile/) - 文档 (https://c9x.me/compile/docs.html) - 用户 (https://c9x.me/compile/users.html) - 发布 (https://c9x.me/compile/releases.html) - 代码 (https://c9x.me/compile/code.html) ### QBE 1.3 - 发布说明 qbe-1.3 (https://c9x.me/compile/releases.html) QBE 1.3 历经较长时间才成型，但却是自 1.0 以来最重要的版本，新增约 7k 行代码，删除 1.5k 行。除了常规的 bug 修复，QBE 还获得了一种全新的、独创的 IL 匹配算法，Roland Paterson-Jones 贡献了新的优化，Scott Graham 添加了对 Windows ABI 的支持，而我实现了 Michael Forney 建议的一项计划，让 QBE 能够生成位置无关代码（如共享对象）。QBE 是团队协作的成果，我很高兴感谢所有为此次发布做出贡献的人。在接下来的说明中，我们将详细探讨本次发布的几个重点。 #### 更快 每隔一段时间，QBE 这只蚊子就会蜇一下某位杰出的程序员。这次，Roland 成为了目标！Roland 建议我们研究 coremark (https://www.eembc.org/coremark/) 基准测试，以便拥有一个具体但简单的优化沙盒。使用 qbe-1.2 的初步测量显示，我们远远落后于“达到 `gcc -O2` 性能的 70%”的目标，实际只有 40% 左右。我们决定在 1.3 版本中解决这个问题。 对性能分析数据的早期检查发现，性能差距很大程度上源于两个函数的处理方式：`ee_isdigit` (https://github.com/eembc/coremark/blob/1f483d5b8316753a742cbf5590caf5bd0a4e4777/core_state.c#L197-L203) 和 `crcu8` (https://github.com/eembc/coremark/blob/1f483d5b8316753a742cbf5590caf5bd0a4e4777/core_util.c#L164-L188)。有趣的是，这些函数并非典型的 C 语言写法；例如，`ee_isdigit` 通常是文本内联的，使用 `&&` 而不是 `&`，并且跳过了多余的三目运算符；至于 CRC，最好的实现方式是使用预计算表。这个观察结果有点令人失望，因为除了 QBE 缺乏内联功能外，它并没有指出一个适用于其他编译任务的通用性能瓶颈。另一方面，CPU 密集型代码确实会将大部分时间花在紧凑的代码段中。 尽管如此，我们实现了大量优化（GVN/GCM、循环优化、if消除、CFG简化等），并在 coremark 以及更实际的使用场景（如 Hare (https://harelang.org/) 测试套件）中进行了尝试。最终，我们决定只保留一套经过验证的优化 pass，现在在原始 coremark 上，我们的性能达到了商业编译器的 63% 以上。值得注意的是，我们将内联排除在优化集合之外，以推迟解决其与 QBE 流式逐函数编译模型不兼容的问题。通过修改 coremark 基准测试，内联 `ee_isdigit` 函数并使用更简单的无分支 `crcu8` 实现，QBE 可以达到其 70% 的目标。新的优化也应该惠及 Hare 用户：我测量到，与 qbe-1.2 相比，Hare 测试套件的性能提升了 33%（1.7 秒对比 2.6 秒）。 #### 更智能 从早期开始，QBE 就使用了一种受 Ken Thompson 的 Plan9 C 编译器 (https://c9x.me/compile/bib/new-c.pdf)（见 5.5. 可寻址性）启发的自底向上树编号算法。该算法相当通用，但在优雅处理算术运算符的结合性和交换性方面有些微妙之处。实现一个元编程解决方案来解决这个问题一直是我的长期目标。QBE 1.3 实现了这个目标。 一个新的 OCaml 工具 `mgen` 被用来将 Lispy 的 IL 模式编译成惯用的 C 代码以匹配它们。`mgen` 工具会查找包含 IL 模式的特殊注释块，并在这些块的正下方内联匹配的 C 代码。生成的 C 代码设计为在 qbe 中看起来惯用，并且工作方式类似于 1.3 之前的手写逻辑。请参阅 `isel.c` (https://c9x.me/git/qbe.git/tree/amd64/isel.c?id=c0818978acec60ebb6167fade60fb7012cbf20ca#n667) 文件查看当前 `mgen` 的使用情况。 更详细地说，指令 DAG 的匹配方式类似于 Ken Thompson 编译器中的编号方法。然后，`mgen` 将每个编号关联到一个位集，该位集指示当前 IL 节点（临时变量）匹配哪些顶层用户模式；然后可以通过手写逻辑选择最合适的模式。模式可以包含变量，这些变量可以通过运行匹配器程序来收集。这些程序也是由 `mgen` 以一种简单的字节码语言生成的，`runmatch()` (https://c9x.me/git/qbe.git/tree/util.c?id=c0818978acec60ebb6167fade60fb7012cbf20ca#n723) 函数可以解释执行。 我期望未来 `mgen` 能用于简化更多后端的指令选择，甚至可能在优化 pass 中识别 IL 模式，例如位旋转。 #### 更好用 在 1.3 版本中，QBE 也蜇了 Scott Graham (https://scot.tg/)。Scott 慷慨地将他对 Windows ABI 的实现进行了上游化，该实现最初出现在一个衍生作品 (https://github.com/sgraham/sqbe) 中。QBE 生成的汇编仍然是 AT&T 语法，最好由 mingw 汇编器编译，尽管我本人没有在 Windows 上尝试过。现在为 Windows 编译只需要向 QBE 传递 `-t amd64_win` 参数。 最后同样重要的是，QBE 改进了对位置无关代码的支持，现在能够在大多数目标上顺利链接，甚至生成共享对象。到目前为止的主要障碍是缺乏对全局变量的间接访问支持（例如，ELF 上的全局偏移表）。现在通过 IL 层面支持一个新的 `extern` “动态常量”标志（`DYNCONST` in the IL spec）可以实现这一点。例如，要访问动态链接库中的变量 `dlvar`，可以使用： `` function w $load() { @start %v =w load extern $dlvar ret %v } `` 如果你好奇，我们使用矛盾修辞“动态常量”来指代只能在运行时（动态）确定的地址符号（在整个执行过程中恒定），因为它们是由运行时或动态链接器分配的，而不是由编译的常规链接阶段分配。 感谢阅读至此，祝你编程愉快。