web-dev-qa-db-ja.com

なぜこのHaskellコードは-Oで遅くなるのですか？

このHaskellコードの実行は、-Oを使用するとはるかに遅くなりますが、-Oは 非危険 になります=。誰が何が起こったのか教えてもらえますか？それが重要であれば、それは解決する試みです この問題 、そしてそれは二分探索と永続的セグメントツリーを使用します：

import Control.Monad
import Data.Array

data Node =
      Leaf   Int           -- value
    | Branch Int Node Node -- sum, left child, right child
type NodeArray = Array Int Node

-- create an empty node with range [l, r)
create :: Int -> Int -> Node
create l r
    | l + 1 == r = Leaf 0
    | otherwise  = Branch 0 (create l m) (create m r)
    where m = (l + r) `div` 2

-- Get the sum in range [0, r). The range of the node is [nl, nr)
sumof :: Node -> Int -> Int -> Int -> Int
sumof (Leaf val) r nl nr
    | nr <= r   = val
    | otherwise = 0
sumof (Branch sum lc rc) r nl nr
    | nr <= r   = sum
    | r  > nl   = (sumof lc r nl m) + (sumof rc r m nr)
    | otherwise = 0
    where m = (nl + nr) `div` 2

-- Increase the value at x by 1. The range of the node is [nl, nr)
increase :: Node -> Int -> Int -> Int -> Node
increase (Leaf val) x nl nr = Leaf (val + 1)
increase (Branch sum lc rc) x nl nr
    | x < m     = Branch (sum + 1) (increase lc x nl m) rc
    | otherwise = Branch (sum + 1) lc (increase rc x m nr)
    where m = (nl + nr) `div` 2

-- signature said it all
tonodes :: Int -> [Int] -> [Node]
tonodes n = reverse . tonodes' . reverse
    where
        tonodes' :: [Int] -> [Node]
        tonodes' (h:t) = increase h' h 0 n : s' where s'@(h':_) = tonodes' t
        tonodes' _ = [create 0 n]

-- find the minimum m in [l, r] such that (predicate m) is True
binarysearch :: (Int -> Bool) -> Int -> Int -> Int
binarysearch predicate l r
    | l == r      = r
    | predicate m = binarysearch predicate l m
    | otherwise   = binarysearch predicate (m+1) r
    where m = (l + r) `div` 2

-- main, literally
main :: IO ()
main = do
    [n, m] <- fmap (map read . words) getLine
    nodes <- fmap (listArray (0, n) . tonodes n . map (subtract 1) . map read . words) getLine
    replicateM_ m $ query n nodes
    where
        query :: Int -> NodeArray -> IO ()
        query n nodes = do
            [p, k] <- fmap (map read . words) getLine
            print $ binarysearch (ok nodes n p k) 0 n
            where
                ok :: NodeArray -> Int -> Int -> Int -> Int -> Bool
                ok nodes n p k s = (sumof (nodes ! min (p + s + 1) n) s 0 n) - (sumof (nodes ! max (p - s) 0) s 0 n) >= k

（これは コードレビュー とまったく同じコードですが、この質問は別の問題に対処します。）

これはC++の入力ジェネレーターです。

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
using namespace std;
int main (int argc, char * argv[]) {
    srand(1827);
    int n = 100000;
    if(argc > 1)
        sscanf(argv[1], "%d", &n);
    printf("%d %d\n", n, n);
    for(int i = 0; i < n; i++)
        printf("%d%c", Rand() % n + 1, i == n - 1 ? '\n' : ' ');
    for(int i = 0; i < n; i++) {
        int p = Rand() % n;
        int k = Rand() % n + 1;
        printf("%d %d\n", p, k);
    }
}

C++コンパイラを使用できない場合は、 これは./gen.exe 1000 の結果です。

これは私のコンピュータでの実行結果です：

$ ghc --version
The Glorious Glasgow Haskell Compilation System, version 7.8.3
$ ghc -fforce-recomp 1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ time ./gen.exe 1000 | ./1827.exe > /dev/null
real    0m0.088s
user    0m0.015s
sys     0m0.015s
$ ghc -fforce-recomp -O 1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ time ./gen.exe 1000 | ./1827.exe > /dev/null
real    0m2.969s
user    0m0.000s
sys     0m0.045s

そして、これはヒーププロファイルの要約です：

$ ghc -fforce-recomp -rtsopts ./1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ ./gen.exe 1000 | ./1827.exe +RTS -s > /dev/null
      70,207,096 bytes allocated in the heap
       2,112,416 bytes copied during GC
         613,368 bytes maximum residency (3 sample(s))
          28,816 bytes maximum slop
               3 MB total memory in use (0 MB lost due to fragmentation)
                                    Tot time (elapsed)  Avg pause  Max pause
  Gen  0       132 colls,     0 par    0.00s    0.00s     0.0000s    0.0004s
  Gen  1         3 colls,     0 par    0.00s    0.00s     0.0006s    0.0010s
  INIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  MUT     time    0.03s  (  0.03s elapsed)
  GC      time    0.00s  (  0.01s elapsed)
  EXIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  Total   time    0.03s  (  0.04s elapsed)
  %GC     time       0.0%  (14.7% elapsed)
  Alloc rate    2,250,213,011 bytes per MUT second
  Productivity 100.0% of total user, 83.1% of total elapsed
$ ghc -fforce-recomp -O -rtsopts ./1827.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( 1827.hs, 1827.o )
Linking 1827.exe ...
$ ./gen.exe 1000 | ./1827.exe +RTS -s > /dev/null
   6,009,233,608 bytes allocated in the heap
     622,682,200 bytes copied during GC
         443,240 bytes maximum residency (505 sample(s))
          48,256 bytes maximum slop
               3 MB total memory in use (0 MB lost due to fragmentation)
                                    Tot time (elapsed)  Avg pause  Max pause
  Gen  0     10945 colls,     0 par    0.72s    0.63s     0.0001s    0.0004s
  Gen  1       505 colls,     0 par    0.16s    0.13s     0.0003s    0.0005s
  INIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  MUT     time    2.00s  (  2.13s elapsed)
  GC      time    0.87s  (  0.76s elapsed)
  EXIT    time    0.00s  (  0.00s elapsed)
  Total   time    2.89s  (  2.90s elapsed)
  %GC     time      30.3%  (26.4% elapsed)
  Alloc rate    3,009,412,603 bytes per MUT second
  Productivity  69.7% of total user, 69.4% of total elapsed
haskelloptimizationghccompiler-bug
87
johnchen902

この質問が適切な答えを得る時が来たと思います。

_-O_でコードに何が起こったか

メイン関数を拡大して、少し書き直してみましょう。

_main :: IO ()
main = do
    [n, m] <- fmap (map read . words) getLine
    line <- getLine
    let nodes = listArray (0, n) . tonodes n . map (subtract 1) . map read . words $ line
    replicateM_ m $ query n nodes
_

明らかに、ここでの意図は、NodeArrayが1回作成され、次にmのすべてのquery呼び出しで使用されることです。

残念ながら、GHCはこのコードを事実上、

_main = do
    [n, m] <- fmap (map read . words) getLine
    line <- getLine
    replicateM_ m $ do
        let nodes = listArray (0, n) . tonodes n . map (subtract 1) . map read . words $ line
        query n nodes
_

ここで問題をすぐに確認できます。

状態ハックとは何ですか、なぜそれは私のプログラムのパフォーマンスを破壊しますか

その理由は、（大まかに）次のように述べている状態ハックです。「何かが_IO a_タイプのものである場合、一度だけ呼び出されると想定します。」 公式ドキュメント はそれほど複雑ではありません。

_-fno-state-hack_

"state hack"をオフにします。これにより、引数としてState＃トークンを持つラムダは単一エントリと見なされるため、その内部にインライン化しても問題ありません。これにより、IOおよびSTモナドコードのパフォーマンスが向上しますが、共有が低下するリスクがあります。

おおまかに言うと、アイデアは次のとおりです。IOタイプとwhere句を使用して関数を定義すると、たとえば、.

_foo x = do
    putStrLn y
    putStrLn y
  where y = ...x...
_

タイプ_IO a_の何かは、タイプRealWord -> (a, RealWorld)の何かと見なすことができます。その見方では、上記は（おおよそ）

_foo x = 
   let y = ...x... in 
   \world1 ->
     let (world2, ()) = putStrLn y world1
     let (world3, ()) = putStrLn y world2
     in  (world3, ())
_

fooの呼び出しは、（通常）次のようになります_foo argument world_。しかし、fooの定義は1つの引数のみを取り、もう1つの引数はローカルのラムダ式によって後でのみ使用されます。これはfooへの呼び出しが非常に遅くなります。コードが次のようになれば、はるかに高速になります。

_foo x world1 = 
   let y = ...x... in 
   let (world2, ()) = putStrLn y world1
   let (world3, ()) = putStrLn y world2
   in  (world3, ())
_

これはeta-expansionと呼ばれ、さまざまな理由で行われます（たとえば、 関数の定義を分析する 、 それがどのように呼び出されているかを確認する 、およびこの場合は、型指定ヒューリスティック） ）。

残念ながら、これは、fooの呼び出しが実際に_let fooArgument = foo argument_の形式である場合、つまり引数を指定した場合に、パフォーマンスが低下しますが、worldは（まだ）渡されません。元のコードでは、fooArgumentが複数回使用された場合でも、yは1回だけ計算され、共有されます。変更されたコードでは、yは毎回再計算されます– nodesに正確に何が起こったか。

修正できますか？

たぶん。そうする試みについては ＃9388 を参照してください。それを修正することの問題は、それがwill変換が正常に行われる多くの場合にパフォーマンスが低下することです。承知しました。また、技術的に問題がある場合、つまり共有が失われる場合もありますが、高速な呼び出しによる高速化が再計算の追加コストを上回るため、それでもメリットがあります。したがって、ここからどこに行くべきかは明確ではありません。

41
Joachim Breitner