تحسين أداء لغة C++ باستخدام تجميع ARM

يمكن أن يؤدي تحويل كود C++ إلى تجميع ARM إلى تحسين الأداء بشكل كبير للمهام الحسابية المكثفة على وجه الخصوص. بينما يُعد إعادة كتابة التطبيقات بالكامل بتجميع أمرًا غير عملي بشكل عام، إلا أن دمج كود التجميع بشكل استراتيجي في الأقسام الحرجة من حيث الأداء يمكن أن يُحقق زيادة كبيرة في السرعة. يستكشف هذا الدليل تقنيات متنوعة لتحقيق ذلك، مع التركيز على التطبيق العملي وأفضل الممارسات.

جدول المحتويات

• توليد تجميع ARM باستخدام GCC
• استخدام دوال تجميع خارجية
• توليد تجميع ARM باستخدام armclang
• التجميع المضمن (مع التحذيرات)
• أفضل الممارسات لتحويل C++ إلى تجميع ARM

توليد تجميع ARM باستخدام GCC

توفر مجموعة مترجم GNU (GCC) إمكانيات قوية للترجمة المتصاعدة. لإنشاء كود تجميع ARM من مصدر C++ الخاص بك، استخدم علم -S مع مُترجم ARM المتصاعد المناسب. يؤثر مستوى التحسين بشكل كبير على التجميع الناتج؛ غالبًا ما تؤدي المستويات الأعلى (مثل -O2، -O3) إلى كود أكثر تعقيدًا ولكن قد يكون أسرع.

arm-linux-gnueabi-gcc -S -O2 myprogram.cpp -o myprogram.s

تذكر استبدال arm-linux-gnueabi-gcc بمُترجم متصاعد صحيح للهندسة المعمارية الهدف (مثلًا، بالنسبة لـ ARM 64 بت، قد تستخدم aarch64-linux-gnu-gcc). سيتضمن ملف الإخراج، myprogram.s، تعليمات تجميع ARM المكافئة.

استخدام دوال تجميع خارجية

بالنسبة للروتينات الأكثر تعقيدًا في التجميع، غالبًا ما يكون من الأنظف كتابة ملفات تجميع منفصلة (عادةً بامتداد .s). يسمح هذا بتنظيم أفضل وإعادة استخدام أفضل. فيما يلي مثال لدالة باقي القسمة مُنفذة في التجميع:

// كود C++ (main.cpp)
#include <iostream>
extern "C" int mod_asm(int a, int b);

int main() {
  int result = mod_asm(10, 3);
  std::cout << "Result: " << result << std::endl;
  return 0;
}

// كود التجميع (mod_asm.s)
.global mod_asm
mod_asm:
  udiv  r0, r0, r1    @ قسم a (r0) على b (r1)
  mls   r0, r1, r0, r0 @ اضرب r1 ونتيجة القسمة (r0)، اطرح من a (r0) - هذا يعطي الباقي
  bx    lr             @ العودة

ستشمل عملية الترجمة والربط خطوات منفصلة:

arm-linux-gnueabi-gcc -c mod_asm.s -o mod_asm.o
arm-linux-gnueabi-gcc main.cpp mod_asm.o -o myprogram

توليد تجميع ARM باستخدام armclang

يوفر مُترجم ARM armclang بديلاً لـ GCC. يشبه استخدامه، حيث يستخدم علم -S لإنشاء التجميع:

armclang -S -O2 myprogram.cpp -o myprogram.s

غالبًا ما ينتج armclang كود تجميع مختلفًا مقارنةً بـ GCC، أحيانًا مع اختلاف في فعالية التحسين. قد يكون من الضروري إجراء تجارب لتحديد أي مُترجم يُعطي نتائج أفضل لاحتياجاتك المحددة.

التجميع المضمن (مع التحذيرات)

يسمح التجميع المضمن، باستخدام كلمات رئيسية خاصة بالمُترجم (مثل __asm في GCC/Clang)، بتضمين مقاطع تجميع قصيرة مباشرةً داخل كود C++ الخاص بك. ومع ذلك، فإن هذا النهج أقل قابلية للنقل وأكثر عرضة للأخطاء. من الأفضل عمومًا حفظه للأقسام الصغيرة جدًا، المُحسّنة للغاية، حيث لا تُعد قابلية النقل مصدر قلق رئيسيًا. يعتمد بناء الجملة على المُترجم، ويتطلب الرجوع بعناية إلى وثائق المُترجم.

أفضل الممارسات لتحويل C++ إلى تجميع ARM

عند تحويل C++ إلى تجميع ARM، ضع في اعتبارك أفضل الممارسات التالية:

• التحليل أولاً: تحديد نقاط الضعف في الأداء قبل التحسين. لا تخمن أين توجد الأجزاء البطيئة؛ استخدم أدوات التحليل.
• البدء من الصغير: ابدأ بأقسام صغيرة وحرجة من الكود. التغييرات التدريجية أسهل في الإدارة و تصحيح الأخطاء.
• الاختبار الشامل: الاختبار الدقيق ضروري لضمان الصحة وزيادة الأداء.
• إمكانية الصيانة: إعطاء الأولوية لقابلية قراءة كود التجميع وصيانته. استخدم التعليقات بكثرة.
• فهم الهندسة المعمارية: إن فهمًا متينًا لهندسة ARM (السجلات، مجموعة التعليمات، نموذج الذاكرة) أمر ضروري للبرمجة الفعالة بالتجميع.