Döngüler ve İteratörlerde Performans
Döngü mü yoksa iteratör mü kullanacağınıza karar vermek için hangi uygulamanın daha hızlı olduğunu bilmeniz gerekir: ara fonksiyonunun açık bir for döngüsü kullanan sürümü mü, yoksa iteratörlerle yazılan sürümü mü?
Sir Arthur Conan Doyle’un The Adventures of Sherlock Holmes (Sherlock Holmes’un Maceraları) kitabının tüm metnini bir String içine yükleyip metinde the kelimesini aradığımız bir performans kıyaslaması (benchmark) çalıştırdık. ara fonksiyonunun for döngüsü kullanan sürümü ile iteratör kullanan sürümünün kıyaslama sonuçları şöyledir:
test bench_search_for ... bench: 19,620,300 ns/iter (+/- 915,700)
test bench_search_iter ... bench: 19,234,900 ns/iter (+/- 657,200)
Her iki uygulama da birbirine çok yakın bir performansa sahiptir! Buradaki amacımız iki sürümün birebir eşdeğer olduğunu kanıtlamak değil, bu iki uygulamanın performans açısından birbirine kıyasla nasıl sonuç verdiğine dair genel bir fikir edinmek olduğundan kıyaslama kodunu burada açıklamayacağız.
Daha kapsamlı bir kıyaslama için icerik olarak farklı boyutlarda çeşitli metinleri, sorgu olarak farklı uzunluklarda çeşitli kelimeleri ve diğer pek çok varyasyonu denemeniz gerekir. Buradaki asıl nokta şudur: İteratörler üst düzey bir soyutlama olsa da, alt düzey kodu bizzat kendiniz yazmışsınız gibi neredeyse aynı makine koduna derlenir. İteratörler Rust’ın sıfır maliyetli soyutlamalarından (zero-cost abstractions) biridir; bununla, soyutlamayı kullanmanın çalışma zamanında hiçbir ek yük getirmediğini kastediyoruz. Bu yaklaşım, C++ dilinin ilk tasarımcısı ve uygulayıcısı Bjarne Stroustrup’un 2012 ETAPS konferansındaki “Foundations of C++” (C++’ın Temelleri) başlıklı açılış sunumunda sıfır ek yük (zero-overhead) ilkesini tanımlama biçimiyle örtüşür:
Genel olarak C++ uygulamaları sıfır ek yük ilkesine uyar: Kullanmadığınız şeyin bedelini ödemezsiniz. Dahası, kullandığınız şeyi elle kodlayarak daha iyisini yazamazsınız.
Pek çok durumda iteratör kullanan Rust kodu, elle yazacağınız assembly koduyla birebir aynı çıktıyı üretecek şekilde derlenir. Döngü açma (loop unrolling) ve dizi erişimlerindeki sınır denetimini (bounds checking) ortadan kaldırma gibi derleyici optimizasyonları devreye girerek ortaya çıkan kodu son derece verimli hâle getirir. Artık bunu bildiğinize göre iteratörleri ve kapanışları hiçbir çekince duymadan kullanabilirsiniz! Kodu üst düzey ve okunaklı tutarken çalışma zamanında herhangi bir performans kaybına yol açmazlar.
Not: Klasik indeksli for i in 0..v.len() { ... v[i] ... } döngülerine kıyasla iteratör zincirlerinin neden çoğu zaman en az onlar kadar hızlı — hatta bazen daha hızlı — çalıştığını ve performansı doğru ölçmenin inceliklerini şu iki noktada özetleyebiliriz:
- Sınır Denetimlerinin Kaldırılması, Yazmaçlar ve Otomatik Vektörleştirme (SIMD): Rust bellek güvenliğini korumak adına her
v[i]indeks erişimindei < v.len()sınır denetimi uygular. Karmaşık indeks aritmetiği içeren döngülerde derleyici (LLVM), indeksin asla sınırı aşmayacağını her zaman statik olarak kanıtlayamayabilir; kalan sınır denetimleri ise hem fazladan koşullu dallanma buyruğu üretir hem de otomatik vektörleştirmeyi (SIMD — tek buyrukla birden fazla veriyi paralel işleme) engelleyebilir. Buna karşılıkv.iter(),zip,mapvefoldgibi iteratör zincirleri dilimin bellekteki sınırları boyunca yapısal olarak güvenli biçimde ilerler. Derleyici bu sayede sınır denetimlerini güvenle kaldırabilir, ara değerleri bellek yerine doğrudan işlemci yazmaçlarında (registers) tutabilir ve örneğin ses kod çözücülerdeki doğrusal tahmin hesaplamaları (linear prediction coding) gibi yoğun sayısal döngülerde döngü açma ile SIMD buyruklarını çok daha etkin biçimde uygulayabilir. - Gerçekçi Performans Ölçümü (
--releaseve Kıyaslama Kütüphaneleri): Sıfır maliyetli soyutlamalar, derleyicinin fonksiyonları satır içine açma (inlining) ve döngü birleştirme optimizasyonlarına dayanır. Varsayılancargo runkomutunun kullandığıdevprofilinde vedevprofilinden miras alantestprofilinde (cargo test), derleme hızını korumak için optimizasyon düzeyi varsayılan olarak0’dır; bu modda iteratör zincirleri yanıltıcı biçimde yavaş çalışabilir. Bu nedenle hız ölçümlerini her zaman Bölüm 14’te inceleyeceğimizreleaseprofiliyle (cargo build --releaseveyacargo run --release) yapmalı; hassas mikro-kıyaslamalarda ise ısınma turları ve istatistiksel sapma analizi sunancriterionveyadivangibi kıyaslama (benchmark) crate’lerini kullanmalısınız.
Özet
Kapanışlar ve iteratörler, fonksiyonel programlama dillerindeki fikirlerden esinlenen Rust özellikleridir. Bu özellikler, Rust’ın üst düzey fikirleri alt düzey kod performansıyla net bir biçimde ifade edebilme yeteneğine katkıda bulunur. Kapanışların ve iteratörlerin uygulamaları, çalışma zamanı performansını olumsuz etkilemeyecek şekilde tasarlanmıştır. Bu yaklaşım, Rust’ın sıfır maliyetli soyutlamalar sunma hedefinin önemli bir parçasıdır.
G/Ç projemizin ifade gücünü artırdığımıza göre, şimdi projeyi dünyayla paylaşmamıza yardımcı olacak bazı cargo özelliklerine bakalım.