3.7 ループの変換

コンパイラは、プログラム中のループを並列に実行できるようにするために、ループ再構成のための変換を数回実行します。この変換のいくつかは、シングルプロセッサ上でのループの実行速度も向上させます。コンパイラが実行する変換を次で説明します。

3.7.1 ループの分散

ループには、並列に実行できる文とできない文とが存在することがあります。通常、並列実行できない文はごく少数です。ループの分散によって、これらの文を別のループに移動し、並列実行可能な文だけから成るループを作ります。これを次の例で説明します。

例 3–14 ループの分散に適したコード

for (i=0; i < n; i++) {
    x[i] = y[i] + z[i]*w[i];               /* S1 */
    a[i+1] = (a[i-1] + a[i] + a[i+1]/3.0;  /* S2 */
    y[i] = z[i] - x[i];                    /* S3 */
}

配列 x、y、w、a、z が重なりあっていないと仮定すると、文 S1 および S3 を並列実行することはできますが、文 S2 はできません。このループを異なる 2 個のループに分割すると次のようになります。

例 3–15 分散されたループ

/* L1: parallel loop */
for (i=0; i < n; i++) {
    x[i] = y[i] + z[i]*w[i];              /* S1 */
    y[i] = z[i] - x[i];                   /* S3 */
}
/* L2: sequential loop */
for (i=0; i < n; i++) {
    a[i+1] = (a[i-1] + a[i] + a[i+1]/3.0; /* S2 */
}

この変換のあと、前述のループ L1 には並列実行を妨害する文が含まれていないので、これを並列実行できるようになります。ところが、2 番目のループ L2 は元のループの並列実行できない部分を引き継いだままです。

ループの分散は、常に効果があって安全に実行できるとはかぎりません。コンパイラは、この効果と安全性を確認するための解析を実行します。

3.7.2 ループの融合

ループが小さい、すなわちループでの作業量が少ないと、大幅にパフォーマンスを向上させることはできません。これは、ループでの作業量に比べて、並列ループを起動するときのオーバーヘッドが大きくなるためです。このような状況では、コンパイラはループの融合を使用して、いくつかのループを 1 つの並列ループに融合し、ループを大きくします。同じ回数の繰り返しを行うループが隣接していると、ループの融合は簡単にしかも安全に行われます。次の例を考えてみましょう。

例 3–16 作業量の少ないループ

/* L1: short parallel loop */
for (i=0; i < 100; i++) {
    a[i] = a[i] + b[i];        /* S1 */
}
/* L2: another short parallel loop */
for (i=0; i < 100; i++) {
    b[i] = a[i] * d[i];        /* S2 */
}

この例では、2 個の小さなループが隣どうしに記述されていて、次のように安全に融合することができます。

例 3–17 融合された 2 つのループ

/* L3: a larger parallel loop */
for (i=0; i < 100; i++) {
    a[i] = a[i] + b[i];       /* S1 */
    b[i] = a[i] * d[i];       /* S2 */
}

これによって、並列ループの実行によるオーバーヘッドを半分にすることができます。ループの融合は、別の場合にも役に立ちます。たとえば、同じデータが 2 個のループで参照されている場合には、この 2 個のループを融合すると、参照を局所的なものにすることができます。

ただし、ループの融合は常に安全に実行できるとはかぎりません。ループの融合によって、元々存在していなかったデータの依存関係が生成されると、実行結果が正しくなくなることがあります。次の例を考えてみましょう。

例 3–18 安全でない融合の例

/* L1: short parallel loop */
for (i=0; i < 100; i++) {
    a[i] = a[i] + b[i];      /* S1 */
}
/* L2: a short loop with data dependence */
for (i=0; i < 100; i++) {
    a[i+1] = a[i] * d[i];    /* S2 */
}

「3.7.2 ループの融合」でループの融合が実行されると、文 S2 から S1 に対するデータの依存性が生成されます。実際に、文 S1 の右辺にある a[i] の値が、文 S2 で計算されるものになります。これはループが融合されないと起こりません。コンパイラは、ループの融合を実行すべきかどうかを判断するために解析を行い、安全性と有効性を確認します。場合によっては、任意の数のループを融合できることがあります。このような方法でループの作業量を多くすると、並列実行が十分に有効であるようなループを生成することができます。

3.7.3 ループの交換

入れ子になっているループのもっとも外側のループを並列化すると、発生するオーバーヘッドが小さいために、一般に大きな効果が期待できます。しかし、そのループに依存性がある場合は、並列化することは安全ではありません。次の例で説明します。

例 3–19 並列化できない入れ子のループ

for (i=0; i <n; i++) {
    for (j=0; j <n; j++) {
            a[j][i+1] = 2.0*a[j][i-1];
    }
}

この例では、添字変数 i を持つループは、連続する 2 つの繰り返しで依存関係があるために、並列化することができません。ただし、2 つのループを交換することができるため、交換すると並列ループ (j のループ) が今度は外側のループになります。

例 3–20 交換されたループ

for (j=0; j<n; j++) {
    for (i=0; i<n; i++) {
            a[j][i+1] = 2.0*a[j][i-1];
    }
}

この結果生成されたループでは並列作業の分散に対するオーバーヘッドが 1 回で済むのに対して、元のループでは、n 回必要でした。コンパイラは、これまで説明したように、ループの交換をするかどうか決定するための解析を行い、安全性と有効性を確認します。