java - 为什么减少循环次数并不能加快程序速度？

Question

我有一个程序可以进行大量的矩阵乘法运算。我想我会通过减少代码中的循环次数来加快它的速度，看看它会快多少(我稍后会尝试矩阵数学库)。事实证明它一点也不快。我已经能够使用一些示例代码重现该问题。我的猜测是 testOne() 会比 testTwo() 快，因为它不创建任何新数组，而且它有三分之一的循环。在我的机器上，它的运行时间是原来的两倍:

Duration for testOne with 5000 epochs: 657, loopCount: 64000000

Duration for testTwo with 5000 epochs: 365, loopCount: 192000000

我的猜测是 multOne() 比 multTwo() 慢，因为在 multOne() 中 CPU 没有写入顺序内存地址就像它在 multTwo() 中一样。听起来对吗？任何解释将不胜感激。

import java.util.Random;

public class ArrayTest {

    double[] arrayOne;
    double[] arrayTwo;
    double[] arrayThree;

    double[][] matrix;

    double[] input;
    int loopCount;

    int rows;
    int columns;

    public ArrayTest(int rows, int columns) {
        this.rows = rows;
        this.columns = columns;
        this.loopCount = 0;
        arrayOne = new double[rows];
        arrayTwo = new double[rows];
        arrayThree = new double[rows];
        matrix = new double[rows][columns];
        Random random = new Random();
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < columns; j++) {
                matrix[i][j] = random.nextDouble();
            }
        }
    }

    public void testOne(double[] input, int epochs) {
        this.input = input;
        this.loopCount = 0;
        long start = System.currentTimeMillis();
        long duration;
        for (int i = 0; i < epochs; i++) {
            multOne();
        }
        duration = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("Duration for testOne with " + epochs + " epochs: " + duration + ", loopCount: " + loopCount);
    }

    public void multOne() {
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < columns; j++) {
                arrayOne[i] += matrix[i][j] * arrayOne[i] * input[j];
                arrayTwo[i] += matrix[i][j] * arrayTwo[i] * input[j];
                arrayThree[i] += matrix[i][j] * arrayThree[i] * input[j];
                loopCount++;
            }
        }
    }

    public void testTwo(double[] input, int epochs) {

        this.loopCount = 0;
        long start = System.currentTimeMillis();
        long duration;
        for (int i = 0; i < epochs; i++) {
            arrayOne = multTwo(matrix, arrayOne, input);
            arrayTwo = multTwo(matrix, arrayTwo, input);
            arrayThree = multTwo(matrix, arrayThree, input);
        }
        duration = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("Duration for testTwo with " + epochs + " epochs: " + duration + ", loopCount: " + loopCount);
    }

    public double[] multTwo(double[][] matrix, double[] array, double[] input) {
        double[] newArray = new double[rows];
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < columns; j++) {
                newArray[i] += matrix[i][j] * array[i] * input[j];
                loopCount++;
            }
        }
        return newArray;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int rows = 100;
        int columns = 128;
        ArrayTest arrayTest = new ArrayTest(rows, columns);
        Random random = new Random();
        double[] input = new double[columns];
        for (int i = 0; i < columns; i++) {
            input[i] = random.nextDouble();
        }
        arrayTest.testOne(input, 5000);
        arrayTest.testTwo(input, 5000);
    }
}

Answer 1

您的测试花费不同时间的原因很简单:它们做的事情不同。由于您比较的两个循环在功能上并不相同，因此迭代次数不是一个很好的衡量标准。

testOne 比 testTwo 花费的时间更长，因为:

• 在 multOne 中，您在每次迭代期间就地更新 arrayOne[i]j 循环。这意味着对于内部循环 j 的每次迭代您正在使用 arrayOne[i] 的一个新值，在之前的迭代。这会创建一个循环携带的依赖项，即更难为编译器优化，因为你需要输出matrix[i][j] * arrayOne[i] * input[j] 操作的下一个CPU 时钟周期。这对于浮点来说是不可能的操作，通常有几个时钟周期的延迟，所以它会导致停顿，从而降低性能。

• 在 testTwo 中你每次 epoch 迭代仅更新一次 arrayOne，并且由于没有携带的依赖项，循环可以被矢量化高效，从而产生更好的缓存和算法性能。