无法解释C++性能

Can't Explain C++ Performance

本文关键字：性能 C++ 无法解释      更新时间：2023-10-16

如果您有一个永不改变且始终等于零的变量 A、函数 F、函数 G 和函数 H，并在现代版本的 GCC 上使用 -O3 优化的现代英特尔台式机处理器上调用以下代码：

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
if(A != 0) F();
else G();
}

执行需要 2 秒。请注意，F 从不调用，因为 A 始终为 0。或者 

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
if(A != 0) H();
else G();
}

只需 1 秒即可执行。同样，A 始终为 0，并且从不调用 H。最后

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
G();
}

只需 0.5 秒即可执行。

给定前两个示例中的条件语句，为什么 F 和 H 的内容很重要？既然他们从未被召唤过，为什么他们的所作所为会有所不同？鉴于英特尔处理器具有复杂的分支预测，处理器难道不应该弄清楚 G（） 总是被调用，甚至从不在条件语句上浪费时间吗？我知道有条件的指令应该浪费一些时间，但我不明白为什么它会浪费这么多时间。

假设编译器理解A是一个常量，它应该将以下代码转换为：

for(i = 0; i < a_big_number; i++)
{
    if(A != 0) F();
    else G();
}

进入这个：

if(A != 0)
    for(i = 0; i < a_big_number; ++i)
        F();
else
    for(i = 0; i < a_big_number; ++i)
        G();

或者，如果常量似乎是编译时常量，则完全优化F()函数调用。

如果没有发生这种情况（即可能存在副作用或其他原因 - 编译器不保证它如何优化以及优化什么），循环将遇到来自分支错误预测的性能影响。如果 A 没有变化并且被调用的函数足够小，CPU 应该锁定循环并记住分支，这样它就不会一遍又一遍地重复相同的错误。另一方面，循环可能会被展开，这可能会造成很大的伤害，因为它无法并行化，只会破坏代码大小和 CPU 必须跟踪的许多事情。

不过，你如何测量执行时间对我来说是一个谜，以及你在循环中调用的函数在做什么。例如，您可以测量流程执行换出。因此，除非您提供一个完整的工作示例并详细说明您的测量方法，否则不可能告诉您发生了什么。

无论如何，我敢打赌你的时间测量是不正确的，或者你在代码中做了一些你没有显示的坏事，或者以上所有。

据我所知，编译器无法确定分支是否不会执行。编译器能做的最好的事情就是预测哪个分支更有可能。

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