如何使用GHC在机器附近可靠地影响生成的代码？

Question

虽然这听起来可能是理论上的问题，但假设我决定投资并构建用Haskell编写的关键任务应用程序。一年后，我发现我绝对需要提高一些非常薄的瓶颈的性能，这将需要优化接近原始计算机功能的内存访问。

一些假设：

• 这不是实时系统-偶尔的延迟尖峰是可以容忍的（由于中断，线程调度异常，偶然的GC等）
• 这不是数字问题-数据布局和缓存友好的访问模式最为重要（避免追逐指针，减少条件跳转等）
• 代码可能与特定的GHC版本有关（但没有分叉）
• 性能目标要求在考虑到对齐方式（C字符串，位打包字段等）的情况下就地修改预分配的非堆阵列
• 数据静态地限制在数组中，并且很少需要分配

GHC提供什么机制来执行这种优化？可靠地说，我的意思是，如果源更改导致代码不再执行，则它在源代码中是正确的，而无需在程序集中重写。

• 使用GHC特定的扩展和库是否已经可能？
• 自定义FFI是否有助于避免C调用约定的开销？
• 专用编译器插件可以通过受限制的源DSL来实现吗？
• “高级”程序集（LLVM）的源代码生成器是否可以解决？

Answer 1

听起来您正在寻找未装箱的阵列。 haskell-land中的“ unboxed”表示“没有运行时堆表示形式”。通常，您可以通过查看 core 表示形式（这是一种非常类似于haskell的语言，可以了解是否将代码的某些部分编译为未装箱的循环（不执行分配的循环））那是编译的第一阶段）。所以例如您可能会在核心输出中看到Int#，这意味着它没有堆表示形式（将在寄存器中）。

在优化haskell代码时，我们会定期查看核心，并期望能够通过更改源代码（例如添加严格性注释或摆弄可以内联的函数）来操纵或纠正性能下降。这并不总是很有趣，但是会相当稳定，尤其是当您固定编译器版本时。

返回未装箱的数组：GHC在GHC.Prim中公开了许多低级primop，尤其是听起来像您想要可变的未装箱的数组（MutableByteArray）。 primitive软件包将这些primops公开在稍微更安全，更友好的API之后，这是您应使用的（并取决于是否编写自己的库）。

还有许多其他实现未装箱数组的库，例如vector，它们建立在MutableByteArray上，但要点是，对该结构的操作不会产生垃圾，并且可能会编译成漂亮的可预测的机器指令。

如果您正在执行数字运算，并且想要使用特定指令或直接在汇编中实现某些循环，您可能还想签出this technique。

GHC还具有非常强大的FFI，您可以研究如何使用C和互操作来编写程序的某些部分。 haskell为此目的还支持其他结构中的固定数组。

如果您需要的控制权超出了您的控制能力，那么haskell可能是错误的语言。从您的描述中无法判断出是否是您遇到的问题（您的要求似乎矛盾：您需要能够编写经过仔细的缓存调整的算法，但是任意GC暂停也可以吗？）。

最后一点：您不能依靠GHC的本机代码生成器来执行任何低级的强度降低优化，例如GCC会执行（GHC的NCG可能永远不会知道比特混乱，自动矢量化等）。相反，您可以尝试LLVM后端，但绝对不能保证程序中是否看到加速。