c - 涉及 sin() 的两个非常相似的函数表现出截然不同的性能——为什么？

Question

考虑以下两个以两种不同方式执行相同计算的程序:

// v1.c
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main(void) {
   int i, j;
   int nbr_values = 8192;
   int n_iter = 100000;
   float x;
   for (j = 0; j < nbr_values; j++) {
      x = 1;
      for (i = 0; i < n_iter; i++)
         x = sin(x);
   }
   printf("%f\n", x);
   return 0;
}

和

// v2.c
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main(void) {
   int i, j;
   int nbr_values = 8192;
   int n_iter = 100000;
   float x[nbr_values];
   for (i = 0; i < nbr_values; ++i) {
      x[i] = 1;
   }
   for (i = 0; i < n_iter; i++) {
      for (j = 0; j < nbr_values; ++j) {
         x[j] = sin(x[j]);
      }
   }
   printf("%f\n", x[0]);
   return 0;
}

当我使用带有 -O3 -ffast-math 的 gcc 4.7.2 编译它们并在 Sandy Bridge 盒子上运行时，第二个程序的速度是第一个程序的两倍。

这是为什么？

一个疑点是 v1 中 i 循环的连续迭代之间的数据依赖性。但是，我不太明白完整的解释是什么。

(问题灵感来自Why is my python/numpy example faster than pure C implementation?)

编辑:

这是为 v1 生成的程序集:

        movl    $8192, %ebp
        pushq   %rbx
LCFI1:
        subq    $8, %rsp
LCFI2:
        .align 4
L2:
        movl    $100000, %ebx
        movss   LC0(%rip), %xmm0
        jmp     L5
        .align 4
L3:
        call    _sinf
L5:
        subl    $1, %ebx
        jne     L3
        subl    $1, %ebp
        .p2align 4,,2
        jne     L2

对于 v2:

        movl    $100000, %r14d
        .align 4
L8:
        xorl    %ebx, %ebx
        .align 4
L9:
        movss   (%r12,%rbx), %xmm0
        call    _sinf
        movss   %xmm0, (%r12,%rbx)
        addq    $4, %rbx
        cmpq    $32768, %rbx
        jne     L9
        subl    $1, %r14d
        jne     L8

Answer 1

忽略整个循环结构，只考虑调用sin的顺序。 v1 执行以下操作:

x <-- sin(x)
x <-- sin(x)
x <-- sin(x)
...

也就是说，sin( ) 的每次计算在前一次调用的结果可用之前无法开始；它必须等待整个先前的计算。这意味着对于 sin 的 N 次调用，所需的总时间是单个 sin 评估延迟的 819200000 倍。

相比之下，在 v2 中，您执行以下操作:

x[0] <-- sin(x[0])
x[1] <-- sin(x[1])
x[2] <-- sin(x[2])
...

请注意，每次调用 sin 都不依赖于之前的调用。实际上，对 sin 的调用都是独立的，处理器可以在必要的寄存器和 ALU 资源可用时立即开始每个调用(无需等待前一个计算完成)。因此，所需时间是 sin 函数吞吐量的函数，而不是延迟，因此 v2 可以在更短的时间内完成。

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我还应该指出，DeadMG 是正确的，v1 和 v2 在形式上是等价的，在一个完美的世界中，编译器会将它们优化成一个链100000 次 sin 评估(或仅在编译时评估结果)。可悲的是，我们生活在一个不完美的世界。