运行时编译 C++ 代码

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引言

C 编程语言在编译时和运行时之间划定了一条界限：你编译程序将其转换为机器码，然后可以运行。C++ 通过模板元编程技术跨越了这条界限，这些技术利用编译器“运行”元程序。动态编程语言（例如 Python）则朝着另一个方向跨越界限，允许在运行时生成函数（“更高级别的函数”）。

以下是一个概念证明，表明可以使用 LLVM 编译器基础设施 在 C++ 中实现更高级别的函数，以及它们如何用于运行时代码优化。

背景

静态代码优化

C++ 编译器可以进行相当复杂的代码优化。然而，可以进行多少优化取决于编译器对代码的了解程度。

例如，一个简单的优化是“强度缩减”。通常，当面对如下代码时：

int divide(int x, int z) {
   return x/z;
}

编译器别无选择，只能使用昂贵的除法指令。但是，如果对 x 和 z 有更多了解，就可以执行许多额外的优化。例如，如果我们知道 z 在编译时，我们可以将已知值嵌入到函数中（或专门化一个模板函数）

int divide8(int x) {
   return x/8;
}

现在，编译器可以优化掉除法，将其替换为廉价的右移操作

int divide8_opt(int x) {
   return x >> 3;
}

这种以及类似的优化可以显著提高应用程序性能。

目标特定优化

额外的优化取决于目标机器：如果你预先知道应用程序将在 Core 2 机器上运行，你可以使用 SSE 4.1 指令来实现额外的优化。然而，在大多数情况下，应用程序预计将在各种机器上运行，因此采用“最小公分母”的方法，发出与 Pentium 兼容的可执行文件，从而失去潜在的性能提升。

动态代码优化

如果我们可以将编译过程的一部分推迟到运行时，那么将有更多的优化机会。

首先，我们可以生成针对应用程序正在运行的实际机器进行优化的代码——仅在 Core 2 机器上运行时使用 SSE4.1 等扩展。

其次，我们可以创建依赖于编译时不可用值的代码。例如，数据包过滤器可能扫描网络流量以查找特定模式，而这些模式仅在运行时才知道。但是，这些模式相对静态，并且很少更改（请参阅此示例）。

LLVM 编译器基础设施

LLVM 是一个高质量、平台无关的编译基础设施。它支持编译成中间“字节码”，以及高效的即时 (JIT) 编译和执行。要很好地了解 LLVM 和编写编译器，请参阅优秀的 LLVM 教程。LLVM 提供了生成字节码的工具，然后可以对其进行优化、编译和执行。

Using the Code

DynCompiler

DynCompiler 是一个概念证明（即：不要指望它能处理比玩具问题更复杂的问题，拥有漂亮的语法，或者做任何有用的事情），它是一个用于动态代码编译的 DSEL，利用 LLVM 来完成实际工作。使用 DynCompiler，你可以创建一个“更高级别的函数”——或者一个用于创建其他函数的函数。

例如，下面的函数可以为给定的系数 a、b 和 c 创建一个特定的二次多项式 (ax²+bx+c)

typedef int (*FType)(int);
FType build_quad(int a, int b, int c) {
     DEF_FUNC(quad) RETURNS_INT
     ARG_INT(x);
  BEGIN
    DEF_INT(tmp);
    tmp = a*x*x + b*x + c;
    RETURN(tmp);
  END
  return (FType)FPtr;
}

请注意，build_quad() 返回的是一个函数——而不是二次函数本身（就像函数模板不是“具体”函数一样）。要创建一个实际函数

FType f1 = build_quad(1, 2, 1); // f1(x) := x^2+2*x+1

现在可以像其他函数一样使用它

for(int x = 0; x < 10; x++) {
    std::cout << "f1(" << x << ") = " << f1(x) << std::endl;
}

语法

DynCompiler 具有丑陋的语法——这是预处理器限制和惰性造成的。函数生成器有一个名称和一个返回类型（仅支持“int”和“double”）

DEF_FUNC(name) RETURNS_INT

或

DEF_FUNC(name) RETURNS_DOUBLE

对于返回 double 的函数。通过以下方式提供返回函数的参数

ARG_INT(x); // integer

或

ARG_DOUBLE(x); // double

实际函数代码以 BEGIN 开始

BEGIN

可以使用 DEF_INT 和 DEF_DOUBLE 定义局部变量

DEF_INT(tmp);

然后你可以（几乎）正常地使用这些变量

tmp = a*x+b;

请注意，此时代码不会被评估，除了“普通”C++ 变量（如 a 和 b）。因此，在此行执行时 a = 3，b = 2，上述代码将计算为

tmp = 3*x+2;

请注意，未使用的变量或在使用前未初始化的变量将导致错误。使用以下方式从函数返回一个值

RETURN_INT(expr);

或

RETURN_DOUBLE(expr);

请注意，函数必须返回值。函数块以 END 结束

END

基本的控制流由 IF 和 WHILE 提供

IF(x > 0)
     IF(y > 0)
        z = x*y;
     IFEND
  ELSE
     z = 0
  IFEND 

  WHILE(z > 0)
     z -= x;
  WHILEND

此外，可以使用 PRINT(expr) 打印到标准输出

PRINT(i);

最后，在 END 之后，FPtr 将指向新创建的函数。不过，你仍然需要将指针转换为实际的函数类型

f1 = (FType)FPtr;

运行代码

你需要下载并构建 LLVM（查看此链接获取 Visual Studio 特定说明）。DynCompiler 代码本身还需要 TR1 支持——例如，Visual Studio 2008 SP1。

状态

DynCompiler 是一个概念证明，不应认真对待。