整数类包装器性能

Integer class wrapper performance

本文关键字：性能 包装 整数      更新时间：2023-10-16

我正在为不动点数字改造现有的库。目前，该库只是在32位有符号整数上操作的命名空间函数。我想扭转这一局面，创建一个封装整数的定点类，但不想为这种细粒度的东西支付与类相关的任何性能损失，因为性能是用例的一个问题。

由于预期类具有如此简单的数据需求，并且没有资源，我认为可能使类"面向价值"，利用非修改操作并在合理的情况下按值传递实例。如果实现的话，这将是一个简单的类，而不是层次结构的一部分。

我想知道是否有可能以这样的方式编写一个整数包装类，即与使用原始整数相比，不会产生真正的性能损失。我几乎确信这是事实，但对编译过程的了解还不够，无法直接投入其中

我知道有人说stl迭代器被编译成简单的指针操作，并且只想对整数操作做类似的事情。

无论如何，作为项目的一部分，该库将更新为c++11，所以我希望至少有了constexpr和其他新功能（如右值引用），我可以将此类的性能提高到接近纯整数运算的性能。

此外，对于两种实现之间的性能差异进行基准测试的任何建议都将受到赞赏。

这个问题的有趣之处在于它依赖于编译器。使用Clang/LLVM:

#include <iostream>
using namespace std;
inline int foo(int a) { return a << 1; }
struct Bar
{
    int a;
    Bar(int x) : a(x) {}
    Bar baz() { return a << 1; }
};
void out(int x) __attribute__ ((noinline));
void out(int x) { cout << x; }
void out(Bar x) __attribute__ ((noinline));
void out(Bar x) { cout << x.a; }
void f1(int x) __attribute ((noinline));
void f1(int x) { out(foo(x)); }
void f2(Bar b) __attribute ((noinline));
void f2(Bar b) { out(b.baz()); }
int main(int argc, char** argv)
{
    f1(argc);
    f2(argc);
}

给出以下IR:

define void @_Z3outi(i32 %x) uwtable noinline {
  %1 = tail call %"class.std::basic_ostream"*
                 @_ZNSolsEi(%"class.std::basic_ostream"* @_ZSt4cout, i32 %x)
  ret void
}
define void @_Z3out3Bar(i32 %x.coerce) uwtable noinline {
  %1 = tail call %"class.std::basic_ostream"*
                 @_ZNSolsEi(%"class.std::basic_ostream"* @_ZSt4cout, i32 %x.coerce)
  ret void
}
define void @_Z2f1i(i32 %x) uwtable noinline {
  %1 = shl i32 %x, 1
  tail call void @_Z3outi(i32 %1)
  ret void
}
define void @_Z2f23Bar(i32 %b.coerce) uwtable noinline {
  %1 = shl i32 %b.coerce, 1
  tail call void @_Z3out3Bar(i32 %1)
  ret void
}

不出所料，生成的程序集完全相同：

    .globl  _Z2f1i
    .align  16, 0x90
    .type   _Z2f1i,@function
_Z2f1i:                                 # @_Z2f1i
.Ltmp6:
    .cfi_startproc
# BB#0:
    addl    %edi, %edi
    jmp _Z3outi                 # TAILCALL
.Ltmp7:
    .size   _Z2f1i, .Ltmp7-_Z2f1i
.Ltmp8:
    .cfi_endproc
.Leh_func_end2:

    .globl  _Z2f23Bar
    .align  16, 0x90
    .type   _Z2f23Bar,@function
_Z2f23Bar:                              # @_Z2f23Bar
.Ltmp9:
    .cfi_startproc
# BB#0:
    addl    %edi, %edi
    jmp _Z3out3Bar              # TAILCALL
.Ltmp10:
    .size   _Z2f23Bar, .Ltmp10-_Z2f23Bar
.Ltmp11:
    .cfi_endproc
.Leh_func_end3:

通常，只要类上的方法是内联的，就可以很容易地省略this参数和引用。我不太明白gcc怎么会把这件事搞砸。

用值语义实现不动点算法将产生较差的性能，因为。。。

#include <iostream>
using namespace std;
inline int foo(int a) { return a << 1; }
struct Bar
{
    int a;
    Bar(int x) : a(x) {}
    Bar baz() { return a << 1; }
};
void out(int x) __attribute__ ((noinline));
void out(int x) { cout << x; }
void out(Bar x) __attribute__ ((noinline));
void out(Bar x) { cout << x.a; }
void f1(int x) __attribute ((noinline));
void f1(int x) { out(foo(x)); }
void f2(Bar b) __attribute ((noinline));
void f2(Bar b) { out(b.baz()); }
int main(int argc, char** argv)
{
    f1(argc);
    f2(argc);
}

现在让我们来看看f1和f2的拆卸…

00000000004006e0 <f1(int)>:
  4006e0:   01 ff                   add    edi,edi
  4006e2:   e9 d9 ff ff ff          jmp    4006c0 <out(int)>
  4006e7:   66 0f 1f 84 00 00 00    nop    WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  4006ee:   00 00 
00000000004006f0 <f2(Bar)>:
  4006f0:   48 83 ec 08             sub    rsp,0x8
  4006f4:   01 ff                   add    edi,edi
  4006f6:   e8 d5 ff ff ff          call   4006d0 <out(Bar)>
  4006fb:   48 83 c4 08             add    rsp,0x8
  4006ff:   c3                      ret

正如您所看到的，f2对堆栈指针有一些额外的干扰，这也防止了ret被忽略。

（这是在-O3时的g++4.6.1）

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