这是C++代码的一块 显示一些非常特殊的行为

出于某种原因,对数据进行分类(之前奇迹般地使主环速度快近六倍:

#include <algorithm>
#include <ctime>
#include <iostream>

int main()
{
    // Generate data
    const unsigned arraySize = 32768;
    int data[arraySize];

    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
        data[c] = std::rand() % 256;

    // !!! With this, the next loop runs faster.
    std::sort(data, data + arraySize);

    // Test
    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
        {   // Primary loop.
            if (data[c] >= 128)
                sum += data[c];
        }
    }

    double elapsedTime = static_cast<double>(clock()-start) / CLOCKS_PER_SEC;

    std::cout << elapsedTime << '\n';
    std::cout << "sum = " << sum << '\n';
}
  • 不无std::sort(data, data + arraySize);代码在11.54秒内运行
  • 根据分类数据 代码在1.93秒内运行

(分类本身需要的时间比这个通过数组的时间要长, 所以如果我们需要计算未知数组, 它实际上不值得做 。)


起初,我以为这只是一种语言或编译器异常, 所以我尝试了爪哇:

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;

public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // Generate data
        int arraySize = 32768;
        int data[] = new int[arraySize];

        Random rnd = new Random(0);
        for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
            data[c] = rnd.nextInt() % 256;

        // !!! With this, the next loop runs faster
        Arrays.sort(data);

        // Test
        long start = System.nanoTime();
        long sum = 0;
        for (int i = 0; i < 100000; ++i)
        {
            for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
            {   // Primary loop.
                if (data[c] >= 128)
                    sum += data[c];
            }
        }

        System.out.println((System.nanoTime() - start) / 1000000000.0);
        System.out.println("sum = " + sum);
    }
}

其结果类似,但不太极端。


我第一种想法是 分类能把数据带进缓存缓存,但那是愚蠢的 因为阵列是刚刚产生的。

  • 这是怎么回事?
  • 为什么处理一个分类阵列的速度要快于处理一个未排序阵列的速度?

守则正在总结一些独立的术语,因此命令不应重要。


相关/后续行动不同/以后的编译者和选项的相同效果:


当前回答

这个问题的根源在于分支预测模型我建议读读这篇论文:

通过多分支预测和一个分支处理缓存,提高通过多分支预测和分支处理获取指令的比率(除了Haswell和后来的Haswell之外)在其循环缓冲中有效释放小圆环。现代的CPU可以预测多个未获取的分支,以便利用其在大毗连区块中的提取。 )

当您对元素进行分类时,分支预测很容易预测正确,除非在边界正确,允许指示有效通过CPU管道,而不必倒转和正确选择错误预测路径。

其他回答

避免分支预测错误的一种方法是建立一个搜索表,并用数据来编制索引。 Stefan de Bruijn在答复中讨论了这一点。

但在此情况下,我们知道值在范围[0,255],我们只关心值 128。这意味着我们可以很容易地提取一小块来说明我们是否想要一个值:通过将数据移到右边的7位数,我们只剩下0位或1位数,我们只有1位数时才想要增加值。让我们把这个位数称为“决定位数 ” 。

将决定位数的 0/1 值作为索引输入一个阵列, 我们就可以生成一个代码, 无论数据是排序还是未排序, 都同样快速。 我们的代码总是会添加一个值, 但是当决定位数为 0 时, 我们将会添加一个值, 我们并不关心的地方 。 以下是代码 :

// Test
clock_t start = clock();
long long a[] = {0, 0};
long long sum;

for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
{
    // Primary loop
    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
    {
        int j = (data[c] >> 7);
        a[j] += data[c];
    }
}

double elapsedTime = static_cast<double>(clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC;
sum = a[1];

此代码浪费了一半的添加值, 但从未出现分支预测失败 。 随机数据比有实际的如果声明的版本要快得多 。

但在我的测试中,一个清晰的查看表比这个稍快一些, 可能是因为对一个查看表的索引比位变换略快一些。 这显示了我的代码是如何设置和使用搜索表的( 无法想象地称为“ 搜索表 ” ) 。lut代码中“ 查看表格” 。 这是 C++ 代码 :

// Declare and then fill in the lookup table
int lut[256];
for (unsigned c = 0; c < 256; ++c)
    lut[c] = (c >= 128) ? c : 0;

// Use the lookup table after it is built
for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
{
    // Primary loop
    for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
    {
        sum += lut[data[c]];
    }
}

在此情况下, 查看表只有256 字节, 所以它在一个缓存中非常适合, 并且非常快。 如果数据是 24 位值, 而我们只想要其中一半的话, 这个技术就不会有效... 搜索表会太大而不切实际。 另一方面, 我们可以将上面显示的两种技术结合起来: 首先将比特移开, 然后将一个查看表索引。 对于一个仅需要顶端半值的 24 位值, 我们可能会将数据右移12 位值, 并留下一个 12 位值的表格索引。 12 位表指数意味着一个有 4096 个值的表格, 这可能是实用的 。

将技术编成一个阵列,而不是使用if语句,可用于决定使用哪个指针。我看到一个实施二进制树的图书馆,而不是有两个命名指针(指针)。pLeftpRight或什么的)有长2至2的指针阵列,并使用“决定位位”技术来决定应跟随哪一个。例如,而不是:

if (x < node->value)
    node = node->pLeft;
else
    node = node->pRight;

这个图书馆会做一些事情,比如:

i = (x < node->value);
node = node->link[i];

以下是这个代码的链接:红黑树, 永久封存

当对数组进行排序时,数据在 0 到 255 之间分布, 大约在迭代的前半部不会输入if- 声明if报表如下。 )

if (data[c] >= 128)
    sum += data[c];

The question is: What makes the above statement not execute in certain cases as in case of sorted data? Here comes the "branch predictor". A branch predictor is a digital circuit that tries to guess which way a branch (e.g. an if-then-else分支预测器的目的是改善教学管道的流量。 分支预测器在实现高效运行方面发挥着关键作用 !

让我们做一些板凳标记 来更好理解它

性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性能、性if如果条件总是真实的,或者总是假的,处理器中的分支预测逻辑将拾取该模式。另一方面,如果该模式无法预测,那么,if- 声明会更贵得多

让我们用不同的条件来衡量这个循环的性能:

for (int i = 0; i < max; i++)
    if (condition)
        sum++;

以下是环绕时间与不同的真假模式 :

Condition                Pattern             Time (ms)
-------------------------------------------------------
(i & 0×80000000) == 0    T repeated          322

(i & 0xffffffff) == 0    F repeated          276

(i & 1) == 0             TF alternating      760

(i & 3) == 0             TFFFTFFF…           513

(i & 2) == 0             TTFFTTFF…           1675

(i & 4) == 0             TTTTFFFFTTTTFFFF…   1275

(i & 8) == 0             8T 8F 8T 8F …       752

(i & 16) == 0            16T 16F 16T 16F …   490

“A ““真实的假造模式可以使if- 计算速度比“或”慢6倍。良好当然,哪一种模式是好的,哪一种模式是坏的,取决于汇编者的确切指示和具体处理者。

因此,部门预测对业绩的影响是毫无疑问的!

巴恩·斯特鲁斯特鲁斯特鲁普的回答对此问题:

这听起来像面试问题。是真的吗?你怎么知道?回答效率问题而不首先做一些测量是不明智的,所以知道如何衡量是很重要的。

于是,我用百万整数的矢量尝试过,然后得到:

Already sorted    32995 milliseconds
Shuffled          125944 milliseconds

Already sorted    18610 milliseconds
Shuffled          133304 milliseconds

Already sorted    17942 milliseconds
Shuffled          107858 milliseconds

我跑了好几次才确定。 是的,这个现象是真实的。我的关键代码是:

void run(vector<int>& v, const string& label)
{
    auto t0 = system_clock::now();
    sort(v.begin(), v.end());
    auto t1 = system_clock::now();
    cout << label
         << duration_cast<microseconds>(t1 — t0).count()
         << " milliseconds\n";
}

void tst()
{
    vector<int> v(1'000'000);
    iota(v.begin(), v.end(), 0);
    run(v, "already sorted ");
    std::shuffle(v.begin(), v.end(), std::mt19937{ std::random_device{}() });
    run(v, "shuffled    ");
}

至少这个编译器、 标准库和优化设置是真实存在的。 不同的执行可以而且确实提供了不同的答案。 事实上,有人做了更系统的研究( 快速的网络搜索会找到它) , 而大多数执行都显示了这种效果。

其中一个原因是分支预测: 类算法中的关键操作是“if(v[i] < pivot]) …”对于排序序列,测试总是真实的,而对于随机序列,选定的分支则随机变化。

另一个原因是,当矢量已经分类后,我们从不需要将元素移到正确位置。这些小细节的影响是我们看到的5或6个系数。

Quicksort(以及一般分类)是一项复杂的研究,吸引了计算机科学中最伟大的一些思想。 一种良好的功能是选择良好的算法和关注硬件的运行效果的结果。

如果您想要写入高效代码, 您需要了解一些关于机器结构的知识 。

毫无疑问,我们中有些人会感兴趣的是,如何确定对CPU的分支种植者有问题的代码。cachegrind使用--branch-sim=yes将外环数量减少到10 000个,并编成g++给出这些结果:

分类 :

==32551== Branches:        656,645,130  (  656,609,208 cond +    35,922 ind)
==32551== Mispredicts:         169,556  (      169,095 cond +       461 ind)
==32551== Mispred rate:            0.0% (          0.0%     +       1.2%   )

未分类 :

==32555== Branches:        655,996,082  (  655,960,160 cond +  35,922 ind)
==32555== Mispredicts:     164,073,152  (  164,072,692 cond +     460 ind)
==32555== Mispred rate:           25.0% (         25.0%     +     1.2%   )

向下钻入cg_annotate我们可以看到有关循环:

分类 :

          Bc    Bcm Bi Bim
      10,001      4  0   0      for (unsigned i = 0; i < 10000; ++i)
           .      .  .   .      {
           .      .  .   .          // primary loop
 327,690,000 10,016  0   0          for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
           .      .  .   .          {
 327,680,000 10,006  0   0              if (data[c] >= 128)
           0      0  0   0                  sum += data[c];
           .      .  .   .          }
           .      .  .   .      }

未分类 :

          Bc         Bcm Bi Bim
      10,001           4  0   0      for (unsigned i = 0; i < 10000; ++i)
           .           .  .   .      {
           .           .  .   .          // primary loop
 327,690,000      10,038  0   0          for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
           .           .  .   .          {
 327,680,000 164,050,007  0   0              if (data[c] >= 128)
           0           0  0   0                  sum += data[c];
           .           .  .   .          }
           .           .  .   .      }

这样可以方便地识别有问题的行 - 在未排序的版本中if (data[c] >= 128)造成164 050 007个错误预测的附带条件的分支(第1行)。Bcm),根据暗礁的分支 - 指示模型, 而它只造成10,006 在分类版本中。


或者,在Linux上,你可以使用性能计数器子系统完成同样的任务,但使用CPU计数器进行本地性能。

perf stat ./sumtest_sorted

分类 :

 Performance counter stats for './sumtest_sorted':

  11808.095776 task-clock                #    0.998 CPUs utilized          
         1,062 context-switches          #    0.090 K/sec                  
            14 CPU-migrations            #    0.001 K/sec                  
           337 page-faults               #    0.029 K/sec                  
26,487,882,764 cycles                    #    2.243 GHz                    
41,025,654,322 instructions              #    1.55  insns per cycle        
 6,558,871,379 branches                  #  555.455 M/sec                  
       567,204 branch-misses             #    0.01% of all branches        

  11.827228330 seconds time elapsed

未分类 :

 Performance counter stats for './sumtest_unsorted':

  28877.954344 task-clock                #    0.998 CPUs utilized          
         2,584 context-switches          #    0.089 K/sec                  
            18 CPU-migrations            #    0.001 K/sec                  
           335 page-faults               #    0.012 K/sec                  
65,076,127,595 cycles                    #    2.253 GHz                    
41,032,528,741 instructions              #    0.63  insns per cycle        
 6,560,579,013 branches                  #  227.183 M/sec                  
 1,646,394,749 branch-misses             #   25.10% of all branches        

  28.935500947 seconds time elapsed

它还可以进行源代码批注,进行拆卸。

perf record -e branch-misses ./sumtest_unsorted
perf annotate -d sumtest_unsorted
 Percent |      Source code & Disassembly of sumtest_unsorted
------------------------------------------------
...
         :                      sum += data[c];
    0.00 :        400a1a:       mov    -0x14(%rbp),%eax
   39.97 :        400a1d:       mov    %eax,%eax
    5.31 :        400a1f:       mov    -0x20040(%rbp,%rax,4),%eax
    4.60 :        400a26:       cltq   
    0.00 :        400a28:       add    %rax,-0x30(%rbp)
...

见见性能辅导以获取更多细节。

其他答复的假设是,一个人需要对数据进行分类是不正确的。

以下代码不排序整个阵列,但只排序其中的200个元素部分,因此运行速度最快。

只对 K 元素部分进行排序,以线性时间完成预处理,O(n),而不是O(n.log(n))排序整个阵列需要时间 。

#include <algorithm>
#include <ctime>
#include <iostream>

int main() {
    int data[32768]; const int l = sizeof data / sizeof data[0];

    for (unsigned c = 0; c < l; ++c)
        data[c] = std::rand() % 256;

    // sort 200-element segments, not the whole array
    for (unsigned c = 0; c + 200 <= l; c += 200)
        std::sort(&data[c], &data[c + 200]);

    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;

    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i) {
        for (unsigned c = 0; c < sizeof data / sizeof(int); ++c) {
            if (data[c] >= 128)
                sum += data[c];
        }
    }

    std::cout << static_cast<double>(clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC << std::endl;
    std::cout << "sum = " << sum << std::endl;
}

这个“证明”也与任何算法问题无关, 比如排序顺序, 并且确实是分支预测。