哄骗循环不变代码从 GHC 中移出

Question

我一直在努力解决GHC中的低级手动循环优化问题。 我的程序包含一些执行数值计算的循环。 真实数据被包装在其他数据结构中，程序被分解为"循环控制流函数"和"计算函数"，这样一些数据结构字段最终会在内部循环中被读取。 我希望 GHC 将这些读取移出内部循环。 下面是代码的简化版本，用于显示正在发生的事情。

data D = D !Double !C
data C = C Double
-- This function is called in every loop iteration.
-- Parameter 'c' is loop-invariant.
exampleLoopBody i a c =
  case c of C b -> a + b * fromIntegral i
-- The body of this function is a counted loop that should be optimized
foo x =
  case x
  of D acc0 c ->
    let loop i acc =
          if i > 100
          then acc
          else loop (i+1) (exampleLoopBody i acc c)
    in loop 0 acc0

每个循环迭代都会计算case c of C b，但这是冗余计算c因为它是循环不变的。 我可以通过在循环外放置一个多余的大小写表达式来使 GHC 将其移除：

foo x =
  case x
  of D acc0 c ->
    case c             -- This case statement inserted for optimization purposes
    of C b -> b `seq`  -- It will read 'b' outside of the loop
      let loop i acc =
           if i > 100
           then acc
           else loop (i+1) (exampleLoopBody i acc c)
      in loop 0 acc0

编译器内联exampleLoopBody . 之后，内部大小写语句是多余的，并被消除：

foo x =
  case x
  of D acc0 c ->
    case c
    of C b -> b `seq`
      let loop i acc =
            if i > 100
            then acc
            else loop (i+1) (acc + b * fromIntegral i) -- The inlined case expression disappears
      in loop 0 acc0

seq的目的是确保 case 表达式不是死代码。 seq检查b是否_|_。 GHC 注意到，由于已计算b，因此在循环体中重用该值很有用。

现在，问题是：我真的希望所有相关数据字段都严格。 如果我在数据定义中插入严格性注释，如下所示，

data C = C !Double

那么就GHC而言，seq和case c of C b没有影响。 GHC删除了它们，我得到这个：

foo x =
  case x
  of D acc0 c ->
    let loop i acc =
          if i > 100
          then acc
          else loop (i+1) (case c of C b -> acc + b * fromIntegral i) -- Evaluate the case in every iteration
     in loop 0 acc0

这段代码在每次迭代中评估case c of C b，这正是我试图避免的。

如果我不能依靠seq，我不知道如何强制b在循环体之外进行计算。 在这种情况下，我可以使用一些技巧吗？

Answer 1

您可以尝试重新排列参数并将循环变体部分移动到 lambda 中：

-- note the order of the arguments changed
exampleLoopBody (C b) =
  i a -> a + b * fromIntegral i
foo (D acc0 c) =
    let
       loopBody = exampleLoopBody c 
       loop i acc =
          if i > 100
         then acc
         else loop (i+1) (loopBody i acc)
   in loop 0 acc0

此外，此代码目前会构建一个大型的未计算表达式，因此您可能希望每次通过循环强制累加器参数。

Answer 2

这看起来基本上是newtype被放入语言的全部原因。只需将data C = C !Double更改为newtype C = C Double并编写代码的朴素版本即可。将擦除 C 类型值上的所有case表达式。作为旁注，您在示例中的代码模式：

case foo of
    D acc0 c -> case c of
        C b -> ...

可以写得更简洁：

case foo of
    D acc0 (C b) -> ...