SanzSkuy: Created page with "{{Catatan|Catatan ini merangkum dua topik yang saling berkaitan: '''optimisasi compiler''' dan '''abstraksi level mesin''' (ISA, virtual address, processor state x86-64). Materi mengikuti alur pembukaan Bab 3 CS:APP.}} == Compiler Optimization == '''Optimisasi''' adalah proses compiler mengubah kode sumber menjadi bentuk yang lebih cepat, lebih kecil, atau lebih hemat sumber daya, '''tanpa mengubah perilaku program yang teramati dari luar'''. Programmer menulis kode y..."

2026-10-06T07:07:14Z

Created page with "{{Catatan|Catatan ini merangkum dua topik yang saling berkaitan: '''optimisasi compiler''' dan '''abstraksi level mesin''' (ISA, virtual address, processor state x86-64). Materi mengikuti alur pembukaan Bab 3 CS:APP.}} == Compiler Optimization == '''Optimisasi''' adalah proses compiler mengubah kode sumber menjadi bentuk yang lebih cepat, lebih kecil, atau lebih hemat sumber daya, '''tanpa mengubah perilaku program yang teramati dari luar'''. Programmer menulis kode y..."

New page

{{Catatan|Catatan ini merangkum dua topik yang saling berkaitan: '''optimisasi compiler''' dan '''abstraksi level mesin''' (ISA, virtual address, processor state x86-64). Materi mengikuti alur pembukaan Bab 3 CS:APP.}}

== Compiler Optimization ==

'''Optimisasi''' adalah proses compiler mengubah kode sumber menjadi bentuk yang lebih cepat, lebih kecil, atau lebih hemat sumber daya, '''tanpa mengubah perilaku program yang teramati dari luar'''.

Programmer menulis kode yang mudah dibaca manusia; compiler menerjemahkannya menjadi kode mesin yang efisien.

=== Aturan dasar: ''as-if rule'' ===

Compiler boleh melakukan transformasi apa pun selama program berperilaku '''seolah-olah''' tidak diubah. Output akhir harus tetap sama.

{{Warning|''Undefined behavior'' (UB) di C/C++ dapat menghasilkan perilaku yang tampak aneh justru karena aturan ini. Compiler berasumsi UB '''tidak pernah terjadi''', lalu melakukan optimisasi berdasarkan asumsi tersebut. Kode yang "kelihatannya benar" bisa dihapus atau diubah total.}}

=== Jenis-jenis optimisasi ===

; Constant folding
: Ekspresi konstan dihitung saat kompilasi. <code>x = 2 * 3 + 4</code> menjadi <code>x = 10</code>.
; Dead code elimination
: Kode yang tidak pernah dieksekusi, atau yang hasilnya tidak pernah dipakai, dibuang.
; Inlining
: Pemanggilan fungsi kecil diganti langsung dengan isi fungsinya, menghilangkan overhead ''call''.
; Loop unrolling
: Badan loop "dibentangkan" untuk mengurangi overhead pengecekan kondisi dan lompatan.
; Common subexpression elimination
: Ekspresi yang dihitung berulang cukup dihitung satu kali.
; Vectorization (SIMD)
: Beberapa operasi data diproses sekaligus dalam satu instruksi, memanfaatkan ''vector register''.
; Register allocation
: Variabel yang sering dipakai ditempatkan di register CPU, bukan di memori.

{{Tip|Register x86-64 hanya ada '''16 buah'''. Keterbatasan inilah yang membuat ''register allocation'' menjadi salah satu masalah tersulit dalam desain compiler. Variabel yang tidak kebagian register harus di-''spill'' ke stack, dan itu jauh lebih lambat.}}

=== Flag optimisasi ===

{| class="wikitable"
! Flag !! Keterangan
|-
| <code>-O0</code> || Tanpa optimisasi. Paling nyaman untuk ''debugging'' karena kode mesin masih memetakan rapi ke kode sumber.
|-
| <code>-O1</code> || Optimisasi dasar.
|-
| <code>-O2</code> || Standar untuk produksi.
|-
| <code>-O3</code> || Lebih agresif, termasuk vectorization dan inlining yang lebih luas.
|-
| <code>-Os</code> || Mengutamakan ukuran biner yang kecil.
|}

Di Rust, mode optimisasi diaktifkan dengan <code>cargo build --release</code>.

{{Tip|Saat ''debugging'', gunakan <code>-O0</code>. Pada level optimisasi tinggi, variabel bisa hilang dari ''debugger'', urutan eksekusi berubah, dan ''breakpoint'' tidak mendarat di tempat yang diharapkan.}}

== Abstraksi dalam Sistem Komputer ==

'''Abstraksi''' adalah menyembunyikan detail implementasi di balik model yang lebih sederhana. Untuk pemrograman level mesin, ada dua abstraksi yang paling penting.

=== 1. Instruction Set Architecture (ISA) ===

ISA adalah "kontrak" antara perangkat keras dan perangkat lunak. ISA mendefinisikan:

* '''Processor state''' — apa saja yang disimpan prosesor (register, program counter, condition flag)
* '''Format instruksi''' — bagaimana instruksi dikodekan
* '''Efek tiap instruksi''' terhadap state tersebut

Sebagian besar ISA, termasuk '''x86-64''', mendeskripsikan perilaku program '''seolah-olah''' setiap instruksi dieksekusi berurutan: satu instruksi selesai sebelum instruksi berikutnya dimulai.

==== Kenyataan di perangkat keras ====

Prosesor nyata jauh lebih rumit dan mengeksekusi banyak instruksi secara '''konkuren''':

* '''Pipelining''' — beberapa tahap instruksi tumpang tindih
* '''Superscalar''' — beberapa instruksi dieksekusi bersamaan
* '''Out-of-order execution''' — urutan eksekusi disusun ulang sesuai kesiapan data
* '''Speculative execution''' — prosesor menebak hasil percabangan sebelum diketahui

Prosesor menggunakan '''pengaman''' (''dependency checking'', ''reorder buffer'', ''in-order commit'') untuk memastikan hasil akhirnya tetap identik dengan model sekuensial yang dijanjikan ISA.

{{Catatan|Pola yang sama muncul di dua lapisan berbeda. Compiler boleh mengubah urutan kode (''as-if rule''), hardware boleh mengubah urutan eksekusi — keduanya sah '''selama perilaku yang teramati tidak berubah'''.}}

=== 2. Virtual Address ===

Alamat memori yang dipakai program level mesin adalah '''alamat virtual''', yang menyajikan memori sebagai '''satu array byte yang sangat besar dan berurutan'''.

Implementasi sebenarnya jauh lebih kompleks:

* Hierarki perangkat keras: register → cache L1/L2/L3 → DRAM → disk
* Perangkat lunak sistem operasi: ''page table'', MMU, TLB, penanganan ''page fault'', ''swapping''

Sistem operasi mengelola ruang alamat virtual dan menerjemahkan alamat virtual menjadi alamat fisik.

==== Ukuran ruang alamat x86-64 ====

* Alamat direpresentasikan sebagai word '''64-bit'''
* Pada implementasi saat ini, '''16 bit teratas harus bernilai nol'''
* Ruang alamat efektif = 2<sup>48</sup> byte ≈ '''64 terabyte'''
* Program biasa hanya memakai beberapa megabyte sampai beberapa gigabyte

{{Warning|Pada satu waktu, hanya sebagian kecil rentang alamat virtual yang dianggap '''valid'''. Akses ke alamat yang tidak valid inilah yang memunculkan ''segmentation fault''.}}

=== Abstraksi yang bocor (''leaky abstraction'') ===

Kedua abstraksi di atas membuat assembly bisa dipelajari sama sekali. Namun abstraksi tersebut '''bocor''' dalam beberapa situasi:

* '''Performa''' — ISA menjanjikan urutan, tetapi ''cache miss'' dan ''branch misprediction'' tetap memengaruhi kecepatan nyata
* '''Konkurensi''' — model sekuensial tidak lagi cukup ketika beberapa thread berinteraksi, sehingga diperlukan ''memory barrier'' dan operasi atomik
* '''Keamanan''' — Spectre dan Meltdown adalah kasus di mana pengaman ternyata tidak sempurna: ''speculative execution'' meninggalkan jejak di cache yang bisa dibaca penyerang

== Representasi Level Mesin ==

Compiler mengerjakan bagian terberat: menerjemahkan model eksekusi C yang relatif abstrak menjadi instruksi prosesor yang sangat elementer.

'''Assembly''' dan '''machine code''' pada dasarnya sama; perbedaannya hanya representasi. Assembly berbentuk teks yang bisa dibaca manusia, machine code berbentuk biner. Hubungan keduanya nyaris satu-ke-satu.

=== Processor state yang terlihat ===

Bagian-bagian state prosesor berikut tersembunyi dari programmer C, tetapi terlihat jelas di level mesin.

==== Program counter (<code>%rip</code>) ====

Menyimpan '''alamat memori instruksi berikutnya''' yang akan dieksekusi. Di C, posisi eksekusi adalah konsep implisit; di level mesin, ini register konkret yang dapat diubah lewat instruksi lompat dan pemanggilan fungsi.

==== Integer register file ====

16 lokasi bernama, masing-masing menyimpan nilai '''64-bit'''. Isinya dapat berupa alamat (setara pointer di C) atau data integer.

{| class="wikitable"
! Register !! Peran umum (System V AMD64 ABI)
|-
| <code>%rax</code> || Nilai kembalian fungsi
|-
| <code>%rbx</code> || ''Callee-saved''
|-
| <code>%rcx</code> || Argumen ke-4
|-
| <code>%rdx</code> || Argumen ke-3
|-
| <code>%rsi</code> || Argumen ke-2
|-
| <code>%rdi</code> || Argumen ke-1
|-
| <code>%rbp</code> || ''Callee-saved'' / ''frame pointer''
|-
| <code>%rsp</code> || ''Stack pointer''
|-
| <code>%r8</code> || Argumen ke-5
|-
| <code>%r9</code> || Argumen ke-6
|-
| <code>%r10</code>, <code>%r11</code> || ''Caller-saved'', data sementara
|-
| <code>%r12</code>–<code>%r15</code> || ''Callee-saved''
|}

Sebagian register melacak bagian penting dari state program, sebagian lain menampung data sementara seperti argumen, variabel lokal, dan nilai kembalian.

==== Condition code register ====

Menyimpan informasi status hasil operasi aritmetika atau logika '''yang terakhir dieksekusi''' (''zero flag'', ''sign flag'', ''carry'', ''overflow'').

Register inilah yang dipakai untuk mengimplementasikan perubahan alur kontrol bersyarat seperti <code>if</code> dan <code>while</code>:

# Instruksi pembanding dieksekusi → flag berubah
# Instruksi lompat bersyarat membaca flag → alur program bercabang

{{Catatan|Satu pernyataan <code>if</code> di C selalu "dicicil" menjadi minimal dua langkah terpisah di level mesin: penetapan flag, lalu pembacaan flag.}}

==== Vector register ====

Setiap register dapat menampung '''satu atau lebih''' nilai integer atau floating-point sekaligus. Inilah dasar perangkat keras untuk SIMD dan ''vectorization''.

=== Memori: tipe data adalah ilusi ===

C menyediakan model di mana objek dengan tipe berbeda dideklarasikan dan dialokasikan di memori. Kode mesin memandang memori '''semata-mata sebagai array byte besar yang dapat dialamati'''.

Konsekuensinya:

* Tipe agregat seperti ''array'' dan ''struct'' direpresentasikan sebagai '''kumpulan byte yang bersebelahan'''
* Assembly '''tidak membedakan''' integer ''signed'' dan ''unsigned''
* Assembly tidak membedakan jenis pointer satu sama lain
* Assembly bahkan '''tidak membedakan pointer dari integer'''

{{Warning|Yang membedakan ''signed'' dan ''unsigned'' bukan datanya, melainkan '''instruksi mana yang dipilih''' untuk mengolahnya. Pola bit-nya identik. Inilah sebabnya kesalahan tipe data di C bisa lolos tanpa gejala sampai jauh di kemudian hari.}}

{{Tip|Hal ini juga menjelaskan mengapa ''casting'' pointer di C praktis "gratis" di level mesin — tidak ada data yang berubah, hanya cara compiler memperlakukannya.}}

=== Isi program memory ===

Ruang memori program berisi:

* Kode mesin yang dapat dieksekusi
* Informasi yang dibutuhkan sistem operasi
* '''Run-time stack''' untuk mengelola pemanggilan dan pengembalian prosedur
* Blok memori yang dialokasikan pengguna, misalnya melalui <code>malloc</code>

Seluruhnya dialamati menggunakan alamat virtual.

=== Satu instruksi = satu operasi elementer ===

Satu instruksi mesin hanya melakukan operasi yang sangat sederhana, misalnya:

* Menjumlahkan dua angka yang tersimpan di register
* Memindahkan data antara memori dan register
* Melompat ke alamat instruksi lain secara bersyarat

Compiler harus '''menyusun rangkaian''' instruksi semacam itu untuk mengimplementasikan konstruksi program seperti evaluasi ekspresi aritmetika, loop, serta pemanggilan dan pengembalian prosedur.

{{Catatan|Inilah gambaran besarnya. C menyediakan objek bertipe, variabel bernama, dan struktur kontrol. Mesin hanya punya 16 register, array byte, flag, dan instruksi sederhana. '''Jarak antara keduanya diisi oleh compiler''' — dan membaca hasil pengisian jarak itulah inti dari Bab 3 CS:APP.}}

Intro Compiler & Machine Abstraction - Revision history