Otimizações guiadas por perfil aumentam desempenho no Ubuntu em até 7%

Nos últimos anos, a Canonical intensificou esforços para otimizar o desempenho do Ubuntu Linux. Além da adoção do nível de otimização -O3 no compilador, a Canonical explora o uso de Otimizações Guiadas por Perfil (PGO), técnica que promete ganhos significativos de desempenho em tarefas específicas. Um estudo recente mostra como o uso de PGO em pacotes RISC-V emulados no QEMU trouxe melhorias de até 7% no tempo de compilação e uso de CPU.

Para mais detalhes, acesse o estudo completo no blog da Canonical.

O que é PGO e como funciona?

A PGO utiliza dados de execução de programas para otimizar seu desempenho. O processo envolve:

1. Compilação inicial com instrumentação: O binário gera um perfil de uso quando executado.
2. Uso do perfil pelo compilador: O perfil orienta o compilador em uma nova construção, otimizando o código com base em cenários reais de execução.

Embora eficaz, a PGO enfrenta desafios, como a dificuldade em criar perfis que representem cenários reais e a sobrecarga de instrumentação inicial. Ferramentas como o perf, no entanto, permitem observar binários de maneira não invasiva, tornando a técnica mais viável para produção.

Como isso beneficia o usuário comum?

Se você usa Ubuntu, pode estar se perguntando: “O que eu ganho com isso?” Aqui estão os principais benefícios, explicados de forma simples:

1. Menor consumo de recursos: Com PGO, os programas usam menos CPU para realizar tarefas, o que pode reduzir o aquecimento do computador e prolongar a vida útil dos componentes.
2. Execução mais rápida: Tarefas como abrir um aplicativo, compilar um programa ou processar dados podem ser concluídas mais rapidamente.
3. Eficiência energética: Menos uso de CPU significa menor consumo de energia, algo importante tanto para quem usa laptops quanto para servidores.

Embora os ganhos sejam mais visíveis em tarefas específicas, como a compilação de pacotes, essa abordagem ajuda a tornar o sistema mais eficiente em geral.

Estudo de caso: otimização de QEMU para RISC-V

O estudo focou no uso do QEMU para emular ambientes RISC-V na infraestrutura de compilação da Canonical. Esses ambientes, baseados em máquinas AMD64, são usados diariamente para construir pacotes da arquitetura RISC-V no Ubuntu. O objetivo foi otimizar o QEMU usando PGO e medir os impactos no desempenho.

Explicando o processo passo a passo:

1. Coleta de dados com perf: O QEMU foi monitorado para entender como ele usa os recursos do computador durante a compilação.
2. Análise de pacotes representativos: Foram escolhidos pacotes populares e variados (como Python e OpenSSL) para testar os ganhos.
3. Aplicação das otimizações: Os dados coletados ajudaram a criar uma versão mais eficiente do QEMU.
4. Comparação de resultados: Foram medidos o tempo de execução e o uso de CPU antes e depois das otimizações.

Metodologia

A coleta de dados foi realizada com o perf, e os arquivos gerados foram convertidos para o formato gcov utilizando o autofdo. A equipe escolheu pacotes representativos para construir e gerar dados, incluindo:

• OpenSSL (C)
• GDB (C++)
• Emacs (C e Elisp)
• Python 3.12 (C e Python)

Os testes mediram o tempo de compilação e a utilização média de CPU em cinco construções de cada pacote, comparando os resultados com e sem PGO.

Resultados

Os resultados mostram melhorias consistentes no tempo de compilação e no uso de CPU:

1. OpenSSL:

• Tempo de compilação: -5.47%
• Utilização de CPU: -5.26%

2. GDB: