輕鬆優化編譯器 (Compiler)

在先前的部落格文章中我們曾探討過使用自動化方式提高系統效能的好處。在該文章中提到的一項應用實例是編譯器標誌探勘 (compiler flag mining)─其實際效能成果大幅優於多數編譯器的標準優化程度。要達到這種未曾開發的效能是一項難題，但幸運的是現在有一種簡單的解決方法。

可供探索的選項

編譯器是一種程式，可以將人類所描述處理的高階語言指令集，轉譯成機器可讀取的指令。編譯器的輸出結果是可以交由機器執行的二進制文件。在大多數情況下，都會希望其生成的可執行文件能盡快運行，這也是人們投入大量精力改良編譯器的原因。在高效能運算(HPC)領域尤是如此，因為編譯器對程式效能的影響有時會比處理器架構的影響更大。因此，編譯器在進行編譯時會提供大量可調用選項，讓工程師得以根據應用程式類型、運行硬體的平台以及目標工作負載來調整編譯器的功能。

然而，編譯器提供的選項通常高達數百種。在如此海量的選項中，要找出正確的編譯器標誌組合以生成最佳效能二進制文件，是一項艱鉅的任務。試想一下：僅是使用100 個參數(其中許多參數取值範圍非常大)，可能的編譯器標誌排列組合就會超過10¹⁵⁷個。相較之下，已知的宇宙中原子數量大約也「只有」10⁸² 個， 看來大海撈針還容易得多！

確定正確的編譯器標誌組合，以生成效能最佳的二進制文件，幾乎是一項不可能的任務。筆者之所以會說「幾乎」，是因為實際上確實有一種利用自動化和人工智慧(AI)有效進行分析的方法。

本文將說明使用Synopsys SLM Optimizer Studio軟體進行的編譯器標誌探勘實驗，並展示使用自動化AI工具為工作負載找出最佳編譯器配置的方法。

實驗概述

針對此一挑戰，我們決定優化廣泛採用的LLVM編譯器配置。我們的目標是找出編譯器標誌的正確組合，將二進制文件執行時間降到最低。這代表著我們需要準備一個目標應用程式進行編譯，以及工作負載作為運行測試。為此我們選擇了業界認可的XSbench基準。XSbench的優勢在於每一個週期只需數分鐘的運行時間，能幫助我們快速收集測試樣本。此外，運行之間的平均偏差相當低(平均 0.3%)，意味著在實驗中收集的結果具代表性並可有效重現。XSbench基準提供可在測試期間執行一系列查詢功能的應用程式，因此其效能是以每秒平均查詢次數來衡量。這也是我們透過優化 LLVM 編譯器設置進行改良的指標。

在運行Optimizer Studio前，我們需要將LLVM編繹器與基準測試連結。幸運的是，這項工作非常簡單，只需確定三個項目：允許該工具於整個實驗過程中修改編譯器標誌列表、調用基準測試的命令行(command line)以及基準測試運行的每秒查詢次數指標的獲取方式。完成第一步後，接著我們就可以執行 Optimizer Studio，輕鬆享用一杯咖啡，並觀看圖像使用者介面(GUI)所顯示的即時資料。

結果

由於我們選用每次運行僅需數分鐘的基準測試，因此能夠在短短數個小時內看到顯著的結果和效能改善。然而，因應而生的點狀圖所顯示的不僅僅是效能提升而已(如圖 1所示)。