针对已知的更常见的路径优化分支
Optimizing a branch for a known more-common path
请考虑以下代码段：
void error_handling();
bool method_impl();
bool method()
{
const bool res = method_impl();
if (res == false) {
error_handling();
return false;
}
return true;
}
我知道method_impl()会返回 99.999%true（是的，小数点后三位），但我的编译器没有。 就时间消耗而言，method()部分至关重要。
- 我是否应该重写
method()（并使其可读性降低）以确保只有在method_impl()返回false时才会发生跳转？如果是，如何？
我 - 应该让编译器为我完成工作吗？
- 我应该让 CPU 的分支预测为我完成工作吗？
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基准代码
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
// solutions
#include <ctime>
// benchmak
#include <limits>
#include <random>
#include <chrono>
#include <algorithm>
#include <functional>
//
// Solutions
//
namespace
{
volatile std::time_t near_futur = -1;
void error_handling() { std::cerr << "errorn"; }
bool method_impl() { return std::time(NULL) != near_futur; }
bool method_no_builtin()
{
const bool res = method_impl();
if (res == false) {
error_handling();
return false;
}
return true;
}
bool method_builtin()
{
const bool res = method_impl();
if (__builtin_expect(res, 1) == false) {
error_handling();
return false;
}
return true;
}
bool method_builtin_incorrect()
{
const bool res = method_impl();
if (__builtin_expect(res, 0) == false) {
error_handling();
return false;
}
return true;
}
bool method_rewritten()
{
const bool res = method_impl();
if (res == true) {
return true;
} else {
error_handling();
return false;
}
}
}
//
// benchmark
//
constexpr std::size_t BENCHSIZE = 10'000'000;
class Clock
{
std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock> _start;
public:
static inline std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock> now() { return std::chrono::steady_clock::now(); }
Clock() : _start(now())
{
}
template<class DurationUnit>
std::size_t end()
{
return std::chrono::duration_cast<DurationUnit>(now() - _start).count();
}
};
//
// Entry point
//
int main()
{
{
Clock clock;
bool result = true;
for (std::size_t i = 0 ; i < BENCHSIZE ; ++i)
{
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
result &= method_no_builtin();
}
const double unit_time = clock.end<std::chrono::nanoseconds>() / static_cast<double>(BENCHSIZE);
std::cout << std::setw(40) << "method_no_builtin(): " << std::setprecision(3) << unit_time << " nsn";
}
{
Clock clock;
bool result = true;
for (std::size_t i = 0 ; i < BENCHSIZE ; ++i)
{
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
result &= method_builtin();
}
const double unit_time = clock.end<std::chrono::nanoseconds>() / static_cast<double>(BENCHSIZE);
std::cout << std::setw(40) << "method_builtin(): " << std::setprecision(3) << unit_time << " nsn";
}
{
Clock clock;
bool result = true;
for (std::size_t i = 0 ; i < BENCHSIZE ; ++i)
{
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
result &= method_builtin_incorrect();
}
const double unit_time = clock.end<std::chrono::nanoseconds>() / static_cast<double>(BENCHSIZE);
std::cout << std::setw(40) << "method_builtin_incorrect(): " << std::setprecision(3) << unit_time << " nsn";
}
{
Clock clock;
bool result = true;
for (std::size_t i = 0 ; i < BENCHSIZE ; ++i)
{
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
result &= method_rewritten();
}
const double unit_time = clock.end<std::chrono::nanoseconds>() / static_cast<double>(BENCHSIZE);
std::cout << std::setw(40) << "method_rewritten(): " << std::setprecision(3) << unit_time << " nsn";
}
}
基准测试结果
g++ -std=c++14 -O2 -Wall -Wextra -Werror main.cpp
method_no_builtin(): 42.8 ns
method_builtin(): 44.4 ns
method_builtin_incorrect(): 51.4 ns
method_rewritten(): 39.3 ns
演示
g++ -std=c++14 -O3 -Wall -Wextra -Werror main.cpp
method_no_builtin(): 32.3 ns
method_builtin(): 31.1 ns
method_builtin_incorrect(): 35.6 ns
method_rewritten(): 30.5 ns
演示
结论
这些优化之间的差异太小，无法得出任何结论，除了：如果在针对已知的更常见路径优化分支时发现性能提升，则此收益太小，不值得麻烦和可读性损失。
你可以
建议编译器method_impl()将返回true：
void error_handling();
bool method_impl();
bool method()
{
const bool res = method_impl();
if (__builtin_expect (res, 0) == false) {
error_handling();
return false;
}
return true;
}
这将在海湾合作委员会中工作。
底层硬件已执行此优化。第一次预测会"失败"，但在它 en.wikipedia.org/wiki/Branch_predictor 命中正确的选项之后。
您可以尝试应用 GCC 扩展并检查它是否更快，但我认为您几乎看不到它和没有它的任何区别。分支预测始终应用，它不是您启用的
不知道 std：：time（） 的实现，我不会得出太多结论从这个测试。 从您自己的结果来看，它似乎主导了循环中的时间。
FWIW，我在调整代码时自己自由地使用 possible（）/unpossible（）。 我不想更改代码的结构，但是在阅读程序集时，我希望看到公共路径是一条未获取分支的直线。 这里（对我来说）的关键是程序集的可读性。 事实上，这也是最快的分支是次要的（最快的可能分支是正确预测的未分支）。
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