最適化コンパイラ (サイテキカコンパイラ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

最適化コンパイラ (サイテキカコンパイラ) の読み方

日本語表記

最適化コンパイラ (サイテキカコンパイラ)

英語表記

Optimization compiler (オプティマイゼーションコンパイラ)

最適化コンパイラ (サイテキカコンパイラ) の意味や用語解説

最適化コンパイラとは、プログラマが作成したソースコードをコンピュータが実行可能な機械語に変換する際、そのプログラムの動作内容を変えることなく、より効率的なコードを生成する機能を持つコンパイラである。現代の主要なプログラミング言語のコンパイラのほとんどは、この最適化機能を備えている。ここでの効率的とは、主に実行速度の向上、メモリ使用量の削減、生成されるコードサイズの縮小などを指す。コンピュータのハードウェア性能を最大限に引き出し、高品質なソフトウェアを開発する上で、最適化コンパイラは不可欠な役割を担っている。プログラマが記述したコードは、そのまま一対一で機械語に翻訳されるわけではなく、コンパイラが内部で様々な分析と変換を行い、より洗練されたプログラムへと再構築しているのである。 最適化コンパイラが行う処理は多岐にわたるが、その多くはコンパイル過程で生成される「中間表現」または「中間コード」と呼ばれる、特定のハードウェアに依存しない形式のプログラムに対して適用される。これにより、多様なCPUアーキテクチャに対して共通の最適化技術を適用することが可能になる。最適化の具体的な手法には、単純なものから非常に高度なものまで数多くの種類が存在する。代表的な手法として、まず「定数畳み込み」と「定数伝播」が挙げられる。定数畳み込みは、コンパイル時に計算できる数式を、その計算結果で置き換える手法である。例えば `x = 100 * 2;` というコードは、実行時に毎回掛け算をするのではなく、コンパイル時点で `x = 200;` というコードに変換される。定数伝播は、ある変数が定数であることが分かっている場合、その変数が使われている箇所を定数値で置き換える手法で、定数畳み込みと連携して効果を発揮する。「デッドコード削除」は、実行される可能性のないコードや、計算結果がどこにも利用されない無意味な処理を削除する最適化である。これにより、プログラムのサイズが小さくなり、不要な処理をスキップすることで実行速度も向上する。「共通部分式除去」は、同じ計算がプログラム中に複数回現れる場合に、最初の計算結果を一時的に保存し、以降はそれを再利用することで、冗長な計算を省く手法である。 プログラムの実行時間の多くはループ処理で費やされるため、ループに関連する最適化は特に重要視される。「ループ不変コード移動」は、ループの中で値が変化しない計算式をループの外に移動させる手法である。これにより、ループの繰り返し回数分だけ行われていた無駄な計算を一度で済ませることができる。「ループ展開」は、ループの本体を複数回複製して記述し、その分ループの繰り返し回数を減らす手法である。ループの判定やカウンタの更新といった制御にかかるオーバーヘッドを削減できるが、コードサイズは増加するというトレードオフがある。また、「インライン展開」は、小さな関数を呼び出す代わりに、その関数の処理内容を呼び出し元に直接埋め込む手法である。関数呼び出しに伴うスタック操作などのオーバーヘッドをなくすことができるが、これもコードサイズを増大させる可能性がある。 多くのコンパイラでは、ユーザが最適化の度合いを選択できるオプションが用意されている。例えば、最適化を全く行わないレベルから、最も積極的な最適化を行うレベルまで、複数の段階が設定されている。最適化レベルを上げると、プログラムの性能は向上する傾向にあるが、コンパイルにかかる時間は長くなる。また、積極的な最適化はソースコードの構造を大幅に変化させるため、デバッグが困難になる場合がある。デバッガでプログラムを一行ずつ実行した際に、ソースコード上の行と実際の実行箇所が一致しなかったり、変数の値が期待通りに観測できなかったりすることがある。そのため、開発中は最適化を無効または低いレベルに設定し、リリース時に高いレベルで最適化を適用するといった使い分けが一般的である。システムエンジニアは、最適化コンパイラがどのような処理を行っているかを理解することで、性能問題の分析や、コンパイラの能力を最大限に引き出すコーディングを意識することが可能になる。