[논문 리뷰] Simple, Light, Yet Formally Verified, Global Common Subexpression Elimination and Loop-Invariant Code Motion

David Monniaux, Cyril Six|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 04.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 10인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 컴파일러의 전역 공통 부분식 제거 및 루프 불변 코드 이동을 위한 경량이며 형식적으로 검증된 방법을 제안한다. 이는 컴파일러의 전개 단계와 검증된 전역 부분식 제거 단계를 조합하여 이루어지며, 기존 컴파일러 대비 높은 성능 향상을 이끌어내지만 증명 복잡도는 최소화한다. 이로써 최신 최적화 컴파일러와의 격차를 좁히면서도 모듈화되고 조합 가능한 증명을 통해 형식적 정확성을 유지한다.

ABSTRACT

We present an approach for implementing a formally certified loop-invariant code motion optimization by composing an unrolling pass and a formally certified yet efficient global subexpression elimination.This approach is lightweight: each pass comes with a simple and independent proof of correctness.Experiments show the approach significantly narrows the performance gap between the CompCert certified compiler and state-of-the-art optimizing compilers.Our static analysis employs an efficient yet verified hashed set structure, resulting in fast compilation.

연구 동기 및 목표

• CompCert 검증 컴파일러와 gcc 및 clang과 같은 최신 최적화 컴파일러 간의 성능 격차를 해소하기 위해.
• 루프 불변 코드 이동과 같은 복잡한 최적화를 최소한의, 조합 가능한, 형식적으로 검증된 증명을 통해 구현하기 위해.
• 전체 SSA 기반 중간 단계를 사용하지 않음으로써 복잡성과 성능 오버헤드를 피하면서도 형식적 정확성을 유지하기 위해.
• 전역 부분식 제거를 위한 검증된 해시셋 데이터 구조를 통해 효율적인 컴파일링을 가능하게 하기 위해.
• 단일 큰 증명이 아닌 모듈화되고 조합 가능하며 확장 가능한 최적화 파이프라인을 제공하기 위해.

제안 방법

• 루프 편집 단계와 형식적으로 검증된 전역 공통 부분식 제거 단계를 조합하는 방법을 사용한다.
• 첫 번째 반복을 편집함으로써 루프 불변 표현식을 루프 외부로 이동시키고, 공통 부분식 제거를 통해 계산된 값을 재사용한다.
• 빠르고 검증된 해시셋 데이터 구조를 사용하여 부분식 탐지 속도를 높이고 빠른 컴파일링을 가능하게 한다.
• 각 최적화 단계는 간단한 국소적 시뮬레이션 추론을 통해 독립적으로 검증되며, 복잡한 전역 불변 조건을 피한다.
• 전체 SSA 생성을 피함으로써 기존의 SSA 기반 최적화에 비해 코드 크기와 증명 복잡도를 감소시킨다.
• 이 방법은 CompCert에 구현되었으며 Coq를 사용하여 형식적 검증을 수행하며, 최소한의 신뢰할 수 있는 계산 기반을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 SSA 기반 중간 단계가 필요 없이 검증된 컴파일러에서 루프 불변 코드 이동을 구현할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 증명 복잡도와 높은 성능을 갖는 형식적으로 검증된 전역 공통 부분식 제거 단계를 구현할 수 있는가?
• RQ3 간단하고 독립적으로 검증된 단계들을 조합함으로써 단일 큰 최적화 단계에 비해 더 뛰어난 성능과 유지보수성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 경량이고 조합 가능한 최적화를 통해 검증된 컴파일러와 산업용 최적화 컴파일러 간의 성능 격차를 크게 줄일 수 있는가?
• RQ5 오직 검증된 데이터 구조와 모듈화된 증명만을 사용하여 높은 수준의 최적화 품질을 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 CompCert와 gcc 및 clang과 같은 최신 최적화 컴파일러 간의 성능 격차를 크게 좁혔다.
• 검증된 해시셋 기반 전역 공통 부분식 제거 단계는 형식적 검증에도 불구하고 빠른 컴파일 시간을 달성했다.
• 루프 불변 코드 이동을 포함한 전체 최적화 파이프라인은 해시셋에 대해 1,500줄, 부분식 제거에 대해 2,700줄의 검증된 코드로만 구성되었다.
• 이전의 CompCert 확장에서 사용된 53,000줄의 SSA 중간 단계를 피함으로써 복잡도와 유지보수 비용을 감소시켰다.
• 정확성 증명은 모듈화되고 가볍며, 복잡한 데이터 플로우를 처리함에도 불구하고 부분식 제거 증명은 단지 2,700줄 뿐이었다.
• 이전의 검증된 접근 방식인 Tristan과 Leroy의 게으른 코드 이동보다 성능이 뛰어나며, 이는 입체 시간 분석과 높은 비용으로 인해 결코 통합되지 않았다.