Guia Começando no Delphi

Artigo Clube Delphi 110 - Otimizando funções da VCL

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O artigo descreve como é feita a alteração de comportamento de classes da VCL em tempo de execução.

Atenção: esse artigo tem uma palestra complementar. Clique e assista!

[lead]Do que trata o artigo

O artigo descreve como é feita a alteração de comportamento de classes da VCL em tempo de execução. A alteração será feita através de substituição de código diretamente nas páginas de memória, durante a inicialização do aplicativo. Alterar o código de partes compiladas da VCL obriga a posterior recompilação de componentes de terceiros e partes da própria VCL.

Para que serve

Esta técnica é utilizada para substituir funções que são executados com muita frequência e que se substituídas por versões otimizadas, podem trazer uma grande melhoria no desempenho ou tempo de execução de aplicativos. Considera-se que não se pode alterar o código por vias normais, por exemplo, estendendo a funcionalidade de uma classe através de herança.

Em que situação o tema é útil

Estas substituições de código são frequentemente utilizadas pelos projetos DelphiSpeedUp e FastCode. Como eles substituem partes da RTL por códigos otimizados, a fim de melhorar o tempo de execução da IDE, são obrigados a fazer as alterações em memória, já que não podem modificar o código fonte da IDE e VCL. As técnicas podem ser aplicadas no dia a dia para otimizar partes da VCL e estruturas de dados utilizadas nos aplicativos.

Resumo do DevMan

Este artigo mostra como se pode alterar o comportamento de um aplicativo em tempo de execução, substituindo partes de código na memória por outras, otimizadas. Esta técnica é usada pelos desenvolvedores do projeto FastCode, um projeto que tem a intenção de reescrever várias funções da VCL do Delphi com o objetivo de torná-las mais rápidas. O projeto tem uma visibilidade tal que a própria CodeGear/Embarcadero tem atualizado algumas de suas funções com base no que foi disponibilizado no projeto. Além disso, esta técnica também é utilizada por Andreas Hausladen em seus utilitários para Delphi. Um exemplo de uso da técnica é o utilitário DephiSpeedUp que substitui funções do Delphi e torna a IDE muito mais rápida. Mais informações sobre o plug-in podem ser obtidas aqui: http://andy.jgknet.de/blog/?page_id=8[/lead]

Desenvolver um framework como a VCL não é uma tarefa fácil. Ter em mente todos os possíveis usos que um desenvolvedor poderá fazer de uma quantidade imensa de classes não é tão simples. Devido a estas dificuldades, muitas partes do código não recebem a devida atenção ou não são codificadas pensando em requisitos agressivos de desempenho. Muitas vezes você nem sabe que usa, mas estes códigos estão lá no seu executável final, rodando no cliente e levando um tempo precioso para ser processado.

Além do mais, há a questão do uso de conjuntos de instruções dos processadores mais novos. Do que adianta comprar um processador com um conjunto de instruções SSE3 se o compilador não gera executáveis que fazem uso delas?

[nota]Nota do DevMan

As extensões SSE3(Streaming SIMD Extensions 3) permitem um alargamento das capacidades SIMD disponibilizadas pelas extensões SSE e SSE2. Permitem um aumento do desempenho no processamento de dados em diversas áreas como, por exemplo, a aritmética de números complexos e na descodificação de vídeo. Mais informações em http://pt.wikipedia.org/wiki/SSE3[/nota]

Mas existe um bom motivo para evitar o uso destes conjuntos de instruções: O executável tem que ser compatível com todos os processadores. Mas não teria uma forma de aproveitar tais instruções quando disponíveis?

Pensando nestes detalhes, o projeto FastCode cria rotinas substitutas para funções que são muito chamadas durante a execução do programa. Tais rotinas identificam as capacidades do processador da máquina e substituem funções da RTL e VCL por versões otimizadas, adequadas ao processador em uso.

O interessante da abordagem que o projeto FastCode usa é que basta apenas incluir a unit com as otimizações no seu projeto. Nada de alterações no código de seu aplicativo para usufruir das otimizações. Mas como isso é feito? Como substituir funções da VCL sem alterar os pas/dcus da mesma? Ora, o compilador lê estes arquivos ao gerar o executável, não é mesmo?

Esta substituição não é algo simples. De fato seria muito mais fácil alterar o código da unit da VCL diretamente. Mas isso implica em recompilar todas as dependências da unit alterada, inclusive componentes de terceiros e até mesmo partes da própria VCL. O impacto da alteração é grande e se espalha bastante, dependendo da unit alterada. Já recebeu a mensagem de erro na compilação: “Unit x was compiled with a different version of y”?

Para entender o que é feito, voltemos à arquitetura de computadores que usamos: a arquitetura de Von Neuman. Nela, todo programa sai do dispositivo de armazenamento secundário (disco rígido) e vai para a memória principal para ser processado. E é aqui que mora o segredo: páginas de memória podem ser alteradas.

[nota]Nota do DevMan

John von Neumann: é considerado um dos mais importantes matemáticos do século XX. Foi membro do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, New Jersey, do qual também faziam parte Albert Einstein. A maioria dos computadores de hoje em dia segue ainda o modelo proposto por von Neumann. Esse modelo define um computador sequencial digital em que o processamento das informações é feito passo a passo, caracterizando um comportamento determinístico (ou seja, os mesmos dados de entrada produzem sempre a mesma resposta). [/nota]

Existem métodos no sistema operacional que permitem a alteração de partes da memória enquanto o programa está sendo executado. Isto é feito a todo o tempo, na área de dados do aplicativo, quando o valor de variáveis é alterado, quando dados são carregados do banco de dados etc.

O código compilado do aplicativo também vai para a memória. É possível alterar a área de memória onde ele está. Sim, é isso mesmo. Alterar os bits de código diretamente na memória RAM, ou seja, alterar o comportamento do aplicativo enquanto ele é executado. Modificar o código que foi lido do disco rígido. Obviamente existem restrições. Já pensou se qualquer aplicativo pudesse alterar o código de outro em execução? Seria um prato cheio para desenvolvedores de vírus.

Em nosso caso o próprio aplicativo se alterará, quando iniciar sua execução. Do contrário, receberíamos um Access Violation. Faz mais sentido agora o que é um Access Violation? É uma simples tentativa de acessar ou alterar memória que não te pertence!

Resumindo, o que é feito é uma alteração nas páginas de memória que o executável ocupa, logo após ele ser carregado na memória. Desta forma, o executável que está no disco rígido será diferente do executável sendo executado na memória RAM.

Neste artigo será exemplificado como se pode fazer tais substituições, otimizando o método FindField da classe TFields. Este método é lento porque faz um laço varrendo todos os campos do TDataSet à procura de determinado campo. É o método chamado quando se executa TDataSet.FieldByName('NOME') por exemplo.

Não se engane pensando que, porque você não usa este método nos seus fontes, ele não é usado no seu aplicativo. Na verdade a própria VCL faz uso extensivo deste método, pois precisa ligar os seus próprios componentes aos TFields do DataSet. Isso inclui TDBEdits, TDBGrids, geradores de relatórios e qualquer outro componente que faz uso de qualquer classe descendente de TDataSet.

[subtitulo]Analisando a complexidade do método FindField[/subtitulo]

Como dito na introdução, o algoritmo FindField é lento porque ele simplesmente varre todos os campos do DataSet, em ordem de índice, até encontrar o campo procurado. Isso é feito porque o campo é procurado através de seu nome.

Observando o código da Listagem 1, podemos fazer a seguinte análise de complexidade, a respeito do algoritmo FindField. Observe que a entrada do algoritmo é a lista de campos do DataSet, com n entradas/campos:

• No melhor caso é Ω(1). O campo procurado é o primeiro da lista. O laço for da linha 5 será executado apenas uma vez e o exit da linha 8 será então chamado.

• No caso médio é Θ se todos os campos forem consultados a cada iteração.

• No pior caso é O(n). O campo procurado é o último ou não existe. O nome do campo foi comparado com todos os outros.

[nota]Nota do DevMan

Os termos melhor caso, caso médio e pior caso, representados pelos símbolos Ω, Θ e O respectivamente, vem da disciplina Complexidade de Algoritmos. Dizem respeito ao tempo que um algoritmo leva para concluir seu processamento, em relação ao tamanho da entrada que lhe é dada. Neste exemplo a entrada é a lista de todos os campos. O(n) quer dizer que todos os campos da lista (n campos) serão consultados para se chegar à resposta do processamento. Complexidades comuns na literatura são O(n lg n) e O(n²) para algoritmos de ordenação de listas, O(n³) para busca de caminhos mínimos em grafos, dentre outros. Esta disciplina é estudada geralmente em cursos na área de computação. [/nota]

Listagem 1. Código do método FindField da VCL

   1. function TFields.FindField(const FieldName: string): TField;
   2. var
   3.   I: Integer;
   4. begin
   5.   for I := 0 to FList.Count - 1 do
   6.   begin
   7.     Result := FList.Items[I];
   8.     if WideCompareText(Result.FFieldName, FieldName) = 0 then Exit;
   9.   end;
  10.   Result := nil;
  11. end; 

Existem pelos menos duas formas de se otimizar este código: Através de uma lista ordenada ou uma lista Hash. Com uma lista ordenada conseguiríamos um tempo O(lg n) sempre, indiferente se o campo está no começo ou final da lista. Esta abordagem introduz um overhead devido à necessidade de ordenação desta lista. Poderíamos realizar esta ordenação em tempo Θ(n lg n), utilizando o algoritmo quicksort por exemplo. A ordenação deveria ser executada uma vez a cada abertura do DataSet. Escrevi um artigo sobre este método no meu blog pessoal, no artigo “FieldByName é O(n), que tal melhorá-lo para O(Lg n)?” que está disponível em www.thborges.com/?p=36.

Irei um pouco além agora. Explicarei como otimizar o método FindField utilizando uma tabela Hash. Esta abordagem garante um tempo constante de praticamente O(1), indiferente da posição que o campo ocupa no DataSet. É como se a função sempre soubesse onde está o campo na lista, olhando apenas para seu nome.

[subtitulo]O que é uma tabela Hash? [/subtitulo]

Uma tabela Hash é uma estrutura de dados que armazena um conjunto de itens em um array, utilizando uma função de espalhamento para determinar o índice onde cada item será armazenado. A função de espalhamento, ou função hash, opera sobre o conjunto de itens, convertendo cada um deles em um número inteiro. Este número inteiro é utilizado como índice no array onde o item será armazenado.

Diz-se que esta função é perfeita se a mesma consegue atribuir a cada item da lista um número único, sem repetições. E pode ainda ser mínima se faz este mapeamento utilizando a menor quantidade de índices possíveis, sem repetir. Observe na Figura 1 que cada nome foi mapeado em um índice do vetor, mas sobraram posições no vetor. Esta função é dita perfeita, mas não mínima. Ao contrário, na Figura 2, observe que não há posições não utilizadas no vetor, portanto a função é mínima.

Figura 1. Função hash perfeita (fonte: Wikipedia)

Figura 2. Função hash mínima (fonte: Wikipedia)

Na prática, funções hash mínimas e perfeitas são difíceis de obter. Em geral a função retorna índices repetidos para itens distintos. Por esse motivo, em cada posição do array é armazenado não somente um, mas vários itens. De forma que, quanto mais índices repetidos a função retornar, pior será a estrutura de dados em relação ao tempo de busca de um determinado item. Mas como uma tabela hash pode melhorar o tempo de busca de itens em uma lista? No nosso caso temos campos nomeados, cujos nomes não podem se repetir para uma determinada tabela. Durante o processo de inserção dos campos no DataSet iremos executar uma função hash que opera sobre strings, passando como parâmetro o nome do campo. A função irá retornar um número inteiro. Digamos que para o campo de nome CODCLIENTE a função retorne 10. Incluiremos então o campo na posição 10 de um array. Faremos isso para todos os campos. Quando o método FindField for executado, pegaremos seu parâmetro (o nome do campo procurado) e chamaremos a função hash. Esta devolverá exatamente o índice do array (10) no qual o campo foi armazenado.

Há uma particularidade neste método. As formas mais simples de tabelas hash exigem que a quantidade de posições no array seja previamente conhecida. Os limites da função hash vão, por exemplo, de 0 a 64. Isso quer dizer que a função nunca irá retornar um número maior que 64, independente da string passada como parâmetro. Para os campos de um DataSet isso pode ser um exagero, visto que geralmente não se tem uma tabela com tantos campos. O ideal é que se identifique um valor que cause a menor quantidade de repetições de índices possível. Se a função hash fosse perfeita e mínima, este valor seria a quantidade de campos no DataSet.

Para nosso propósito utilizaremos a função hash codificada pelo projeto DelphiSpeedUp. A função hash, apesar de simples, foi codificada utilizando a linguagem assembly. O código assembly da função está na Listagem 2. Nas linhas 5 a 7 calcula-se o tamanho da string. A seguir nas linhas 10 a 26 existe um loop percorrendo os caracteres da string. Observe que o @@ indica um label e a instrução jnz é como um goto que volta para este label, enquanto não chegar ao fim da string. Na primeira etapa, linhas de 11 a 17, é feita uma operação que desconsidera letras maiúsculas e minúsculas. Observando a ordem dos caracteres na tabela ASCII, subtrair 'a' - 'A' de um caractere minúsculo, corresponde a transformá-lo em uma letra maiúscula. Nas linhas 20 a 23 é feito o cálculo do hash, somando o ordinal de cada caractere ao resultado. Por fim na linha 28 faz-se a operação de módulo 64, que é o resto da divisão do número encontrado por 64. Note que o resto desta divisão nunca é maior que 63 e isto garante que todos os campos serão armazenados em 64 posições de um array.

[nota]Nota do DevMan

Cada caractere na tabela ASCII é representado por um número. Inicialmente foram definidos 128 caracteres, de 0 a 127, e incluem caracteres de controle (quebra de linha, retorno de carro, além de outros) e caracteres que possuem representação gráfica (as letras, números e símbolos). Quando se subtrai uma letra por outra, obtém-se um número. No caso da função HashUpString, subtrair 'A' – 'a' é o mesmo que subtrair 97 – 65 = 32. Desta forma, subtrair 32 de uma letra minúscula qualquer a transforma em uma letra maiúscula. Por exemplo, a letra 't' (116) – 32 = 'T' (84). [/nota]

Listagem 2. Função HashupString do projeto DelphiSpeedUp

 1. function HashUpString(const AItem: string): Integer;
 2. asm
 3.  or eax, eax
 4.  jz @@Leave
 5. 
 6.  xchg eax, edx
 7.  mov eax, [edx-$04] // Length(AItem)
 8.  xor ecx, ecx
 9. 
10. @@HashStringNextChar:
11.  mov cl, [edx]
12. 
13.  cmp cl, 'a'
14.  jb  @@UpCaseEnd
15.  cmp cl, 'z'
16.  ja  @@UpCaseEnd
17.  sub cl, 'a' - 'A'
18. @@UpCaseEnd:
19. 
20.  ror cl, 4
21.  shl cx, 1
22.  add eax, ecx
23.  xor ch, ch
24.  inc edx
25.  or ecx, ecx
26.  jnz @@HashStringNextChar
27. 
28.  and eax, 64-1
29. @@Leave:
30. end; 

[subtitulo]Passo a passo da alteração na classe TFields[/subtitulo]

A otimização do método FindField será feita em quatro passos, como descrito a seguir:

1. Cria-se uma nova unit, onde serão declaradas as classes auxiliares e executados os métodos de substituição na seção initialization. Chamaremos de FieldOptimize.pas;

2. Cria-se a classe TNameHashListque será a lista hash, descendente de TList. Será usada para substituir a lista de campos da classe TFields (veja detalhes a seguir);

3. Cria-se uma cópia parcial da classe TFields, para poder acessar seus campos privados através de um typecast forçado. Chamaremos de TPrivateFields;

4. Cria-se a classe TFastFieldsque conterá apenas o método FindField otimizado.

[subtitulo]A classe TNameHashList[/subtitulo]

A classe TNameHashList é uma variação da classe de mesmo nome do projeto FastCode, mais precisamente da unit RtlVCLOptimize.pas. É necessária apenas uma adaptação para que ela opere com TFields.O ponto mais importante da construção é a reescrita do método Notify. Este método é invocado pela TList sempre que um item é adicionado ou removido da lista. Assim, sempre que isso acontecer estaremos alimentando um vetor adicional, que é o hash em si.

Três métodos são necessários: NameAdd, NameRemove e NameFind. Estes métodos serão chamados para adicionar, remover e procurar um item na lista hash, respectivamente.

Observe na Listagem 3 o método NameAdd. Na linha 8 é chamado o método HashupString (descrito na Listagem 2) armazenando seu retorno em AHash. AHash representa o índice onde o TField deve ser inserido. Pode ter ocorrido uma colisão de índices e a posição AHash já está sendo usada por outra entrada. Salva-se então, Linha 9, o conteúdo corrente da posição AHash no campo Next de uma nova estrutura N do tipo NameCompItem, formando uma lista ligada (veja Nota do DevMan). A seguir, linhas 10 a 13, a posição AHash do array é substituída pela nova entrada e o par Key/Value da estrutura N é preenchido com o nome do campo e sua instância, respectivamente.

[nota]Nota do DevMan

Observe que a lista ligada é necessária devido a possibilidade de colisões, conforme pode ser observado na Figura 3. Veja que Sandra Dee e John Smith estão posicionados no índice 152 do array. É neste detalhe que está a velocidade ou lentidão de uma lista hash. Se esta lista ligada ficar muito longa, ou seja, ocorrerem muitas colisões, o processo de busca ficará lento. [/nota]

Figura 3. Tabela Hash com colisão na posição 152. Observe que John Smith está na mesma posição que Sandra Dee (fonte: Wikipedia)

Listagem 3. Função NameAdd da classe TNameHashList

  1.  function TNameHashList.NameAdd(const AItem: string; 
  2.    AData: TField): TField;
  3.  var
  4.    N: PNameCompItem;
  5.    AHash: Integer;
  6.  begin
  7.    New(N);
  8.    AHash := HashUpString(AItem);
  9.    N.Next := FItems[AHash];
  10.   FItems[AHash] := N;
  11.   Inc(FNameCount);
  12.   N.Key := AItem;
  13.   N.Value := AData;
  14.   Result := AData;
  15. end; 

O que a função NameRemove faz é remover um item da lista hash. Inicialmente chama-se HashupString com o nome do campo que será removido. Como na inserção também foi utilizada esta função para escolher em que índice o campo seria inserido, o mesmo só pode estar na lista ligada da posição retornada, digamos que seja a posição P. Procura-se então na lista ligada do índice P pelo respectivo campo. O campo pode estar no início, meio ou fim da lista, portanto ao remover é necessário manter os links entre os itens corretamente, cada um apontando sempre para o seguinte. O código foi omitido para evitar poluição do texto, mas está disponível no download do artigo.

Por fim, a função NameFind, Listagem 4, é responsável por encontrar um campo na lista hash. Encontra-se a posição AHash no array, onde o campo pode ter sido armazenado, utilizando o nome do campo procurado, Linha 8. A lista ligada desta posição é então percorrida, Linhas 10 a 19, até que se encontre um campo com o nome procurado. Caso o campo não exista, a lista será percorrida item a item.

Observe que existe uma situação de pior caso, onde todos os campos estão armazenados na mesma posição do array, tornando a lista muito grande. A procura neste caso seria tão ruim quanto a do método original. Porém, no caso de TFields, esta lista tende a não ser muito grande devido os nomes dos campos serem sempre diferentes uns dos outros. Fica evidente aqui também a importância de escolher um tamanho adequado para o array da lista hash.

Listagem 4. Declaração parcial da classe TFields na unit DB.pas

  1. function TNameHashList.NameFind(const AItem: string; 
  2.   out Value: TField): Boolean;
  3. var
  4.   N: PNameCompItem;
  5.   AHash: Integer;
  6. begin
  7.   Value := nil;
  8.   AHash := HashUpString(AItem);
  9.   N := FItems[AHash];
  10.   while N <> nil do
  11.   begin
  12.     if CompareText(N.Key, AItem) = 0 then
  13.     begin
  14.       Value := N.Value;
  15.       Result := True;
  16.       Exit;
  17.     end;
  18.     N := N.Next;
  19.   end;
  20.   Result := False;
  21. end; 

[subtitulo]As classes TPrivateFields e TFastFields[/subtitulo]

Fazendo uma analogia, será necessário fazer uma “cirurgia” na classe TFields, em tempo de execução. Fazer um transplante de sua lista de campos FList, digamos o seu coração, e conectar algumas artérias (método FindField) a outros locais. Porém, o campo FList da classe TFields é privado. Precisaremos utilizar um typecast um pouco forçado para conseguir acessá-lo, destruí-lo, e substituir por uma instância de TNameHashList.

A ciência está por trás do typecast. Ensinaram-te que o typecast "transforma" uma classe em outra, certo? Mas além do básico, o que está acontecendo é apenas uma manipulação de endereços de memória. É você dizendo ao compilador: "Acesse os campos deste objeto como se ele fosse este outro". E então o compilador começa a gerar o executável escrevendo: O primeiro campo do objeto está na posição onde o objeto está instanciado + 4 bytes, o segundo na posição inicial + 8 bytes e por aí vai. Tudo se resume a endereços de memória e intervalos.

Declara-se então uma nova classe TPrivateFields, idêntica ao início de TFields. Descendendo da mesma classe (TObject) que a TFields, declarando os campos da seção private até chegar no desejado. Todos os campos declarados têm que estar na mesma ordem e posição.

Desta forma, como todos os campos estão na mesma ordem, e portanto com os mesmos intervalos de endereços de memória do objeto original, podemos acessar qualquer campo privado do objeto como se fosse o nosso próprio. Mas atenção, os desenvolvedores da VCL podem mudar esta ordem de uma versão para outra, fique atento.

Na Listagem 5 está a declaração da classe TPrivateFields. Note que o FList é o primeiro campo da seção private, e por isso ela ficou bem simples. O segredo maior está na classe TFastFields. Ela existe apenas para conter a função FindField. Sequer será instanciada durante toda a execução do projeto. Nela declaramos FindField com a mesma assinatura da TFields.FindField, Linhas 8 a 11. A implementação deste método consiste em testar se a FList já é uma instância de TNameHashList e, caso contrário, substituí-la. Para isso, faz-se o typecast para acessar o campo privado FList, Linha 20. Caso não seja (Linhas 22 a 28), instancia-se uma nova TNameHashList (Linha 22) copia-se os campos porventura já existentes na lista original (Linhas 24 a 26), substitui-se a lista antiga pela nova TNameHashList, Linha 27) e por fim destrói-se a lista antiga, Linha 28. Mas atenção, essa substituição só funciona porque a TNameHashList também é descendente de TList. Note que todo o código da classe TFields continua acessando o campo privado FList como se nada tivesse acontecido.

Não ocorre vazamento de memória porque a própria classe TFields se encarregará de destruir a tabela hash. Na verdade ela irá destruir o conteúdo da variável FList, achando que lá existe uma TList comum, mas sabemos que isso não é verdade porque a substituímos. Porém como o método Free é herdado de TObject, não haverá nenhum problema.

Listagem 5. Código das classes TPrivateFields e TFastFields

  1. type
  2.
  3.   TPrivateFields = class(TObject)
  4.   private
  5.     FList: TList;
  6.   end;
  7.
  8.   TFasTFields = class(TFields)
  9.   public
  10.    function FindField(const FieldName: WideString): TField;
  11.  end;
  12.
  13. { TFastFields }
  14.
  15. function TFastFields.FindField(const FieldName: WideString): TField;
  16. var
  17.   List, HashList: TList;
  18.   I: Integer;
  19. begin
  20.   if not (TPrivateFields(Self).FList is TNameHashList) then
  21.   begin
  22.     HashList := TNameHashList.Create;
  23.     List := TPrivateFields(Self).FList;
  24.     HashList.Capacity := List.Capacity;
  25.     for I := 0 to List.Count - 1 do
  26.       HashList.Add(List.List[I]); // copy and hash
  27.     TPrivateFields(Self).FList := HashList;
  28.     List.Free;
  29.   end;
  30.
  31.   TNameHashList(TPrivateFields(Self).FList).NameFind(FieldName, Result);
  32. end; 

[subtitulo]A mágica da substituição de código com JMP ($E9) [/subtitulo]

Na memória RAM do computador há uma quantidade enorme de números que possuem os mais diversos significados. Existem números que representam dados, como letras e números, e números que representam operações que o computador deve fazer. É o chamado conjunto de instruções do computador, como por exemplo SSE2 ou SSE3.

Há um conjunto padrão destas instruções, válidos para a maioria dos processadores. Estas operações incluem soma, subtração, redirecionamentos e muitos outros. O que nos importa aqui é o redirecionamento, ou se preferir, o goto. Ele é representado pelo número hexadecimal $E9, instrução assembly JMP, que significa fazer um salto, jump, para um endereço de memória e continuar o processamento deste endereço em diante. Note que existem vários tipos de jumps. jumps que só saltam se determinada condição for atendida, se o número for maior, igual, menor que outro, por exemplo. Este que usaremos é o incondicional.

A substituição de uma função por outra é feita escrevendo no início da função FindField original um goto para o endereço da nova função. A função original é referenciada em muitos locais na memória, mas sempre que o processador chegar no endereço dela será forçado a ir para outro endereço: o endereço da nova função.

Observe na Listagem 6 a função CodeRedirect, extraída do projeto DelphiSpeedUp. A função recebe o endereço de dois métodos como parâmetros, Proc e NewProc. Primeiro captura-se o endereço na memória onde o procedimento original está. Para isso utiliza-se a função GetActualAddr, Linha 7. A seguir, linhas 8 e 9, é solicitado ao sistema operacional que permita a escrita na página onde a função está localizada (Função VirtualProtectEx, com parâmetro PAGE_EXECUTE_READWRITE). Na linha 11 e 12 é então feito o redirecionamento, utilizando o record TInjectRec. Este record serve para injetar o código assembly de salto. No primeiro byte grava-se a operação (jump) e nos quatro bytes seguintes a quantidade de bytes a saltar, a partir do endereço atual. Por fim volta-se a página de memória para o estado anterior, provavelmente read-only, e executa-se um flush para descarregar a página dos registradores, evitando problemas com máquinas de vários núcleos, linhas 14 a 16.

Listagem 6. Função CodeRedirect do projeto DelphiSpeedUp

   1. procedure CodeRedirect(Proc: Pointer; NewProc: Pointer);
  2. var
  3.   OldProtect: Cardinal;
  4. begin
  5.   if Proc = nil then
  6.     Exit;
  7.   Proc := GetActualAddr(Proc);
  8.   if VirtualProtectEx(GetCurrentProcess, Proc, SizeOf(TInjectRec), 
   9.     PAGE_EXECUTE_READWRITE, OldProtect) then
 10.   begin
 11.     TInjectRec(Proc^).Jump := $E9;
 12.     TInjectRec(Proc^).Offset := Integer(NewProc) - (Integer(Proc) +
  13.       SizeOf(TInjectRec));
 14.     VirtualProtectEx(GetCurrentProcess, Proc, SizeOf(TInjectRec),
  15.       OldProtect, @OldProtect);
 16.     FlushInstructionCache(GetCurrentProcess, Proc, SizeOf(TInjectRec));
 17.   end;
 18. end; 

[subtitulo]Colocando a cereja no bolo[/subtitulo]

Por fim e o mais importante de tudo: o redirecionamento da função FindField da classe TFields para a classe TFastFields. Observe a Listagem 7. Basta fazer uma chamada à função CodeRedirect, passando como parâmetro o endereço do método origem e destino.

Listagem 7. Redirecionamento de TFields.FindField para TFastFields.FindField

  1. initialization
  2.   CodeRedirect(@TFields.FindField, @TFastFields.FindField); 

O que acontecerá quando o aplicativo iniciar?

1. O código da seção initialization será invocado. Ele alterará a página de memória onde foi colocado o método TFields.FindField, forçando o processador a saltar para o endereço onde o método TFastFields.FindField foi escrito na memória, sempre que a primeira função for chamada;

2. A função TFields.FindField é chamada em qualquer local do aplicativo e o processador salta para a TFastFields.FindFind;

3. A nova função FindField testa se a FList ainda é uma instância de TList. Como é a primeira chamada ela trocará a TList por uma TNameHashList;

4. Os campos são adicionados na lista hash à medida que vão sendo inseridos, através do método Notify reescrito;

5. O campo é posteriormente procurado na TNameHashList e retornado como se o nosso transplante não tivesse acontecido. Porém, agora a complexidade da busca é O(1), desconsiderando as colisões no hash.

[subtitulo]Conclusão[/subtitulo]

Este tipo de intervenção em tempo de execução é uma forma avançada de corrigir ou melhorar códigos de bibliotecas, muito utilizado pelos projetos FastCode e na maioria das melhorias feitas por Andreas Hausladen (andy.jgknet.de/blog), dentre elas o projeto DelphiSpeedUp.

Uma das melhorias introduzidas por tal projeto é exatamente colocar uma lista hash para ser utilizada nas chamadas do método FindComponent. Boa parte da otimização é essa. O FindComponent da VCL é feito da mesma forma que o FindField. Existe uma lista de componentes que é preenchida sempre que objetos descendentes de TComponent são criados. Ao procurar por um componente esta lista é varrida item a item, comparando os nomes dos componentes até encontrar o desejado.

A melhora com a otimização da função FindField pode ser percebida principalmente no tempo de carregamento das telas, onde acontece a maioria das chamadas a esta função, vinculando os TDBEdits e correlatos aos campos nos DataSets. Nos DataModules, quando se usa campos persistidos, ocorre uma vinculação entre todos os TFields logo em sua abertura. O mesmo acontece quando se abre os TDataSets. Outra situação onde ocorre melhora é quando se usa o método FieldByName em rotinas que processam grandes quantidades de registros.

O uso de listas hash pode ser expandido a qualquer situação onde seja necessário localizar objetos através de seus nomes. O único detalhe a observar é o tamanho do array do hash, onde serão colocados os itens. É necessário ter uma ideia da quantidade de itens que serão utilizados. É importante considerar também o quão bem a função hash espalha os itens nas posições deste array. Dependendo da rotina, uma boa ideia é deixar esta configuração como parâmetro do sistema.

Para quem utiliza versões mais atuais do Delphi, outro ponto possível é a utilização de generics para construção de uma lista hash que possa ser utilizada com qualquer objeto que possua um campo representando seu nome.

Outras otimizações na VCL ou em componentes de terceiros podem ser feitas. Porém, encontrá-las e saber como otimizar é uma tarefa um pouco mais complicada. Depende da experiência e conhecimento de cada pessoa. Mas a forma de corrigir sem alterar fontes é esta.

 
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