Понижение силы операций

Понижением силы операции в теории компиляторов называют замену медленных операций, например, умножения и деления, на более быстрые, такие как сложение, вычитание, сдвиг. Так, деление (умножение) на $2^n$ равносильно сдвигу на $n$ разрядов вправо (влево).

Существуют алгоритмы преобразования операций умножения и деления на произвольное целое число в последовательность более простых операций (сложений, вычитаний и сдвигов). Подобная оптимизация обычно выполняется компилятором автоматически и не требует вмешательства программиста.

Примеры

Целочисленное умножение на 2:

{ до оптимизации (3 такта на Core 2 Duo) }
y := 2*x;
 
{ после оптимизации }
y := x+x;     // 1 такт на Core 2 Duo
y := x shl 1; // 1 такт на Core 2 Duo

Целочисленное умножение на 3:

{ до оптимизации (3 такта на Core 2 Duo) }
y := 3*x;
 
{ после оптимизации }
y := x+x+x;       // 2 такта на Core 2 Duo
y := x shl 1 + x; // 2 такта на Core 2 Duo
y := x shl 2 - x; // 2 такта на Core 2 Duo

Целочисленное умножение на 4:

{ до оптимизации (3 такта на Core 2 Duo) }
y := 4*x;
 
{ после оптимизации (1 такт на Core 2 Duo) }
y := x shl 2;

Целочисленное умножение на 5:

{ до оптимизации (3 такта на Core 2 Duo) }
y := 5*x;
 
{ после оптимизации (2 такта на Core 2 Duo) }
y := x shl 2 + x;

Целочисленное умножение на 6:

{ до оптимизации (3 такта на Core 2 Duo) }
y := 6*x;
 
{ после оптимизации }
y := (x shl 2 - x) shl 1; // 3 такта, неоптимальный вариант реализации
y := x shl 2 + x shl 1;   // 2 такта при условии, что операции сдвига попадут в различные исполнительные устройства и будут выполнены параллельно

Можно заметить, что не для всех множителей возможна эффективная замена на более простые операции. Кроме того, решение о подобной замене должно учитывать микроархитектурные особенности процессора (как минимум латентность выполнения операций), под который производится подобная оптимизация (например, операции сдвига на процессоре Pentium 4 выполняются существенно дольше, чем на других процессорах, что необходимо учитывать)^[1].

Сноски

1. ↑ Во многих компиляторах (например, Intel C++ Compiler) существует возможность при помощи опций командной строки указать компилятору процессор, на котором планируется выполнение программы