C言語のプログラムはたとえばfoo.cといった名前のファイルとして作成す る。gcc (GNU C compiler) でコンパイルして fooという名前の 実行形式ファイル(ユーザプログラム)を得るためには、シェルのコマンドライ ンで:

        gcc foo.c -o foo

        ./foo -a 300

        gcc -O2 foo.c -o foo

実際にはgccは、Cコンパイラ(プリプロセッサ付)、 アセンブラ、 リンカを用いて、Cプログラムのファイル→[Cコンパイラ]→ アセン ブリ言語プログラムのファイル→[アセンブラ]→オブジェクトファイル→[リン カ]→実行形式ファイルのようにして、ユーザプログラムを作成している。以下 では、この各段階を順にみていく。

C言語のプログラムfoo.c を(プリプロセッサに通した後)コンパイルして foo.sというファイル名のアセンブリ言語プログラムに翻訳するには:

        gcc -O2 foo.c -S

        less foo.s

アセンブリ言語は、ユーザプログラムの実行する計算機システムのプロセッサの 命令セットを基にしてに定められているため、少なくともプロセッサの種類ごと に異なる(機種依存である)。本演習・実験で用いる計算機システムでは、Intel 386 プロセッサ(と浮動小数点コプロセッサ)の命令セットに基づくものになって いる。 実際のプロセッサは何世代も後継の Intel Core2 Quadで、Core2に 基づくものになっているが、命令セットは同じと考えてもよい。 また，命令セットが同じでもプロセッサの世代が異なれば，性能の引き出し方も 異なるので，Core2 向けに最適化するとよい。 (計算機室のLinux端末のgcc にもCore2 向けに最適化するためのオプション がある。-march=core2がないかinfo gcc 等で調べてみる) また、浮動小数点演算は後継で追加されている SSE3 等 を用いたほうがよいかもしれない． (計算機室のLinux端末のgcc にもそのためのオプションがある。)

アセンブリ言語プログラムの出力ファイル名を指定し、かつ、最適化を指示する 場合は:

        gcc -O2 foo.c -S -o foo-O2.s

        diff -u foo.s foo-O2.s

C言語でプログラムを書くことのほうが多いといえるが、場合によってはアセン ブリ言語でプログラムを書かなくてはならないこともある。その場合は、エディ タなどでfoo.sなどのプログラムを作成することになる。アセンブリ言語 のプログラムは、テキスト表記の機械語命令を書くtextセクション、初期値を持 つデータを書くdataセクション、初期値を持たないデータ領域確保するbssセク ションなどから構成される。(bssなどの名前はシステム依存であり、計算機室の gccでは少し異なる名前を用いているかもしれない)

アセンブリ言語プログラムのファイルから、アセンブラによりオブジェクトファ イルfoo.oを得るには:

        gcc foo.s -c

        od -t x1 foo.o | less

複数のオブジェクトファイルをリンクすることで、実行形式が得られる。 foo.cとbar.cに分割してプログラムを開発したとし、 foo.cから翻訳したfoo.oと bar.cから翻訳したbar.oを元に fooという名前の実行 形式ファイル(ユーザプログラム)を得るには:

        gcc foo.o bar.o -o foo

最終的に得られた実行形式のユーザプログラムのことも機械語プログラムと呼ぶ ことがある。ユーザプログラムのtextセクションはプロセッサが解釈する機械語 命令から構成されているが、dataセクションなどのデータをプロセッサが解釈実 行することは滅多にない。ユーザプログラムのdataセクションやbssセクション についてはプロセッサに対する指示ではなく、むしろプログラムの実行を管理す るオペレーティングシステムに対して、textセクションの機械語プログラムの実 行開始前に必要なメモリ領域を確保・初期化するように指示していると考えるこ とができる。dataセクションやbssセクションで、データの初期値や領域確保を するためのアセンブリ言語上の指示は、機械語命令とは異なるためしばしば 擬似命令と呼ばれる。

さて、Cプログラムの作成時に、実行時の状態を考える場合は、

• いまプログラム中のどの場所を実行中であるか。
• サブルーチン(関数)呼出し中であれば、呼出しからのリターン後は どこから再開するか。(呼出しは一般にネストすることに注意)
• 引数や局所変数の値、大域変数の値、データ構造の各要素の値は どうなっているか。

• いま(textセクションの)どこの命令を実行中であるか。
• レジスタの値はどうなっているか。
• メモリの各要素(バイト)の値はどうなっているか。

上記のようなCプログラムレベル、あるいは、ユーザプログラムレベルの実行時 の状態はgdbという デバッガでみることができる。 gdbで、C レベル(ソースレベル)のデバッグをしたい場合は、gccとする代わりに gcc -g としてやるとよい。例えば:

        gcc -O2 foo.c -o foo

        gcc -g -O2 foo.c -o foo

        gdb ./foo

        run -a 500

• btコマンドで 現在の実行場所とリターン後の再開場所が表示される。 プログラムリストはlistコマンドで表示できる。
• info argsで引数、 info localsで局所変数の値が表示される。 またpコマンドではCの式の値を表示できる。

• info programで、いまどこの命令を実行中であるかが表示される。 機械語命令列はdisassemble コマンドでアセンブリ言語として 表示できる。
• レジスタの値はinfo regコマンドで調べられる。
• メモリの値はxコマンドで調べられる。

実際に動作するのはユーザプログラムであるので、gdbは、ユーザプログラムレ ベルの実行時状態しか情報として取り出せないが、コンパイル時に付加したデバッ グ情報を元にソースレベルの実行時状態のイメージを仮想的に作り出しているこ とになる。場合によっては、ユーザプログラムレベルではソースレベルの情報 (変数の値など)が残っていないことがあるので注意が必要である。上記コマンド を各自試して、ソースレベルの実行時状態とユーザプログラムレベルの実行時状 態について感覚を養うこと。

コンパイラの仕事は、Cプログラムを実行形式ユーザプログラムに翻訳すること であった。高速なプログラムの実行のためには、コンパイラはできるだけ 効率の良い機械語コードを生成する必要がある。中でも重要なのは、できるだ け レジスタを利用して計算を進めることにある。 メモリアクセスは レジスタへのアクセスよりも時間がかかるのが一般的だからである。Cプログラ ムにおける引数や局所変数の値、あるいは部分式の中間結果の値などは、できる だけ(スタック領域などの)メモリに置かず、レジスタ上に保持するようにする ( レジスタ割付)。この他、コンパイラが行う最適化手法には次のものがあ る:

• 定数伝播
• コピー伝播
• 共通部分式削除
• ループ不変コードの移動
• 強さの軽減
• 無用命令の削除
• 不到達コードの削除

• コンパイル時にできる計算はやってしまう。
• 過去の計算結果が再利用できるなら、何度も計算することを省く。
• 同じ内容の操作で、より高速な操作があればそちらを用いる。
• 計算結果を使わないような計算はそもそもしないようにする。

最適化手法は、プログラムの計算内容(意味)を変えない範囲で(安全に)高速化を 行うものなので、その適用には条件を伴う。場合によっては、プログラムの作成 者にとっては安全であることが自明な最適化がなされないことも多い。そのよう な場合は、Cプログラムを修正することで最適化されるようなることも多い。し かし、修正後のプログラムが読みにくく保守しにくいようになるのであれば、そ こには速度と間にトレードオフが存在することになる。本演習ではCプログラム を工夫して計算をより速く実行するにはどうしたらよいかを考えるが、レジスタ 割付や最適化手法を考慮することで達成できる部分もある。

場合によってはC 言語による表現では、意図したユーザプログラムの生成が難し いこともある。機種依存であるが、C言語ではasm文を用意し、Cの関数の 本体の文としてアセンブリ言語の命令を埋め込めるようにしてもよいことになっ ている。asm文をサポートしないコンパイラもあるが、gcc では拡張した asm文が提供されていて、意図どおりのユーザプログラムの生成を行いや すくなっている。

• 1. 概要
• 2. コンパイラについて
• 3. オペレーティングシステムについて
• 4. ハードウェアについて