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设 T
是一棵有根二叉树,每个内部节点恰好有两个子节点。树的节点将存储在一个数组中,让我们按照预定布局将其称为 TreeArray
。
然后 TreeArray
将包含以下节点对象:
7、3、1、0、2、6、12、9、8、11、13
这棵树中的一个节点是这种结构:
struct tree_node{
int id; //id of the node, randomly generated
int numChildren; //number of children, it is 2 but for the leafs it's 0
int pos; //position in TreeArray where the node is stored
int lpos; //position of the left child
int rpos; //position of the right child
tree_node(){
id = -1;
pos = lpos = rpos = -1;
numChildren = 0;
}
};
现在假设我们需要一个函数来返回树中所有 ID 的总和。听起来很简单,您所要做的就是使用 for 循环遍历 TreeArray
并累积所有找到的 ID。但是,我有兴趣了解以下实现的缓存行为:
void testCache1(int cur){
//find the positions of the left and right children
int lpos = TreeArray[cur].lpos;
int rpos = TreeArray[cur].rpos;
//if there are no children we are at a leaf so update r and return
if(TreeArray[cur].numChildren == 0){
r += TreeArray[cur].id;
return;
}
//otherwise we are in an internal node, so update r and recurse
//first to the left subtree and then to the right subtree
r += TreeArray[cur].id;
testCache1(lpos);
testCache1(rpos);
}
为了测试缓存行为,我做了以下实验:
r = 0; //r is a global variable
int main(int argc, char* argv[]){
for(int i=0;i<100;i++) {
r = 0;
testCache1(0);
}
cout<<r<<endl;
return 0;
}
对于具有 500 万个叶子的随机树,perf stat -B -e cache-misses,cache-references,instructions ./run_tests 111.txt
打印以下内容:
Performance counter stats for './run_tests 111.txt':
469,511,047 cache-misses # 89.379 % of all cache refs
525,301,814 cache-references
20,715,360,185 instructions
11.214075268 seconds time elapsed
一开始我想可能是因为我生成树的方式,我将其排除在我的问题中,但是当我运行 sudo perf record -e cache-misses ./run_tests 111.txt
我收到了以下输出:
正如我们所见,大部分缓存未命中都来自此函数。但是我不明白为什么会这样。 cur
的值将是连续的,我将首先访问 TreeArray
的位置 0
,然后是位置 1
,2
, 3
等
为了增加我对正在发生的事情的理解,我有以下函数可以找到相同的总和:
void testCache4(int index){
if(index == TreeArray.size) return;
r += TreeArray[index].id;
testCache4(index+1);
}
testCache4
以相同的方式访问 TreeArray
的元素,但缓存行为要好得多。
perf stat -B -e cache-misses,cache-references,instructions ./run_tests 11.txt
的输出:
Performance counter stats for './run_tests 111.txt':
396,941,872 cache-misses # 54.293 % of all cache refs
731,109,661 cache-references
11,547,097,924 instructions
4.306576556 seconds time elapsed
在 sudo perf record -e cache-misses ./run_tests 111.txt
的输出中,该函数甚至不存在:
我为这篇冗长的帖子道歉,但我感到完全迷失了。先感谢您。
编辑:
这是完整的测试文件,连同解析器和所需的一切。假定树在作为参数给出的文本文件中可用。输入 g++ -O3 -std=c++11 file.cpp
编译,输入 ./executable tree.txt
运行。我正在使用的树可以找到here (不要打开,点击保存我们)。
#include <iostream>
#include <fstream>
#define BILLION 1000000000LL
using namespace std;
/*
*
* Timing functions
*
*/
timespec startT, endT;
void startTimer(){
clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &startT);
}
double endTimer(){
clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &endT);
return endT.tv_sec * BILLION + endT.tv_nsec - (startT.tv_sec * BILLION + startT.tv_nsec);
}
/*
*
* tree node
*
*/
//this struct is used for creating the first tree after reading it from the external file, for this we need left and child pointers
struct tree_node_temp{
int id; //id of the node, randomly generated
int numChildren; //number of children, it is 2 but for the leafs it's 0
int size; //size of the subtree rooted at the current node
tree_node_temp *leftChild;
tree_node_temp *rightChild;
tree_node_temp(){
id = -1;
size = 1;
leftChild = nullptr;
rightChild = nullptr;
numChildren = 0;
}
};
struct tree_node{
int id; //id of the node, randomly generated
int numChildren; //number of children, it is 2 but for the leafs it's 0
int size; //size of the subtree rooted at the current node
int pos; //position in TreeArray where the node is stored
int lpos; //position of the left child
int rpos; //position of the right child
tree_node(){
id = -1;
pos = lpos = rpos = -1;
numChildren = 0;
}
};
/*
*
* Tree parser. The input is a file containing the tree in the newick format.
*
*/
string treeNewickStr; //string storing the newick format of a tree that we read from a file
int treeCurSTRindex; //index to the current position we are in while reading the newick string
int treeNumLeafs; //number of leafs in current tree
tree_node ** treeArrayReferences; //stack of references to free node objects
tree_node *treeArray; //array of node objects
int treeStackReferencesTop; //the top index to the references stack
int curpos; //used to find pos,lpos and rpos when creating the pre order layout tree
//helper function for readNewick
tree_node_temp* readNewickHelper() {
int i;
if(treeCurSTRindex == treeNewickStr.size())
return nullptr;
tree_node_temp * leftChild;
tree_node_temp * rightChild;
if(treeNewickStr[treeCurSTRindex] == '('){
//create a left child
treeCurSTRindex++;
leftChild = readNewickHelper();
}
if(treeNewickStr[treeCurSTRindex] == ','){
//create a right child
treeCurSTRindex++;
rightChild = readNewickHelper();
}
if(treeNewickStr[treeCurSTRindex] == ')' || treeNewickStr[treeCurSTRindex] == ';'){
treeCurSTRindex++;
tree_node_temp * cur = new tree_node_temp();
cur->numChildren = 2;
cur->leftChild = leftChild;
cur->rightChild = rightChild;
cur->size = 1 + leftChild->size + rightChild->size;
return cur;
}
//we are about to read a label, keep reading until we read a "," ")" or "(" (we assume that the newick string has the right format)
i = 0;
char treeLabel[20]; //buffer used for the label
while(treeNewickStr[treeCurSTRindex]!=',' && treeNewickStr[treeCurSTRindex]!='(' && treeNewickStr[treeCurSTRindex]!=')'){
treeLabel[i] = treeNewickStr[treeCurSTRindex];
treeCurSTRindex++;
i++;
}
treeLabel[i] = '\0';
tree_node_temp * cur = new tree_node_temp();
cur->numChildren = 0;
cur->id = atoi(treeLabel)-1;
treeNumLeafs++;
return cur;
}
//create the pre order tree, curRoot in the first call points to the root of the first tree that was given to us by the parser
void treeInit(tree_node_temp * curRoot){
tree_node * curFinalRoot = treeArrayReferences[curpos];
curFinalRoot->pos = curpos;
if(curRoot->numChildren == 0) {
curFinalRoot->id = curRoot->id;
return;
}
//add left child
tree_node * cnode = treeArrayReferences[treeStackReferencesTop];
curFinalRoot->lpos = curpos + 1;
curpos = curpos + 1;
treeStackReferencesTop++;
cnode->id = curRoot->leftChild->id;
treeInit(curRoot->leftChild);
//add right child
curFinalRoot->rpos = curpos + 1;
curpos = curpos + 1;
cnode = treeArrayReferences[treeStackReferencesTop];
treeStackReferencesTop++;
cnode->id = curRoot->rightChild->id;
treeInit(curRoot->rightChild);
curFinalRoot->id = curRoot->id;
curFinalRoot->numChildren = 2;
curFinalRoot->size = curRoot->size;
}
//the ids of the leafs are deteremined by the newick file, for the internal nodes we just incrementally give the id determined by the dfs traversal
void updateInternalNodeIDs(int cur){
tree_node* curNode = treeArrayReferences[cur];
if(curNode->numChildren == 0){
return;
}
curNode->id = treeNumLeafs++;
updateInternalNodeIDs(curNode->lpos);
updateInternalNodeIDs(curNode->rpos);
}
//frees the memory of the first tree generated by the parser
void treeFreeMemory(tree_node_temp* cur){
if(cur->numChildren == 0){
delete cur;
return;
}
treeFreeMemory(cur->leftChild);
treeFreeMemory(cur->rightChild);
delete cur;
}
//reads the tree stored in "file" under the newick format and creates it in the main memory. The output (what the function returns) is a pointer to the root of the tree.
//this tree is scattered anywhere in the memory.
tree_node* readNewick(string& file){
treeCurSTRindex = -1;
treeNewickStr = "";
treeNumLeafs = 0;
ifstream treeFin;
treeFin.open(file, ios_base::in);
//read the newick format of the tree and store it in a string
treeFin>>treeNewickStr;
//initialize index for reading the string
treeCurSTRindex = 0;
//create the tree in main memory
tree_node_temp* root = readNewickHelper();
//store the tree in an array following the pre order layout
treeArray = new tree_node[root->size];
treeArrayReferences = new tree_node*[root->size];
int i;
for(i=0;i<root->size;i++)
treeArrayReferences[i] = &treeArray[i];
treeStackReferencesTop = 0;
tree_node* finalRoot = treeArrayReferences[treeStackReferencesTop];
curpos = treeStackReferencesTop;
treeStackReferencesTop++;
finalRoot->id = root->id;
treeInit(root);
//update the internal node ids (the leaf ids are defined by the ids stored in the newick string)
updateInternalNodeIDs(0);
//close the file
treeFin.close();
//free the memory of initial tree
treeFreeMemory(root);
//return the pre order tree
return finalRoot;
}
/*
* experiments
*
*/
int r;
tree_node* T;
void testCache1(int cur){
int lpos = treeArray[cur].lpos;
int rpos = treeArray[cur].rpos;
if(treeArray[cur].numChildren == 0){
r += treeArray[cur].id;
return;
}
r += treeArray[cur].id;
testCache1(lpos);
testCache1(rpos);
}
void testCache4(int index){
if(index == T->size) return;
r += treeArray[index].id;
testCache4(index+1);
}
int main(int argc, char* argv[]){
string Tnewick = argv[1];
T = readNewick(Tnewick);
double tt;
startTimer();
for(int i=0;i<100;i++) {
r = 0;
testCache4(0);
}
tt = endTimer();
cout<<r<<endl;
cout<<tt/BILLION<<endl;
startTimer();
for(int i=0;i<100;i++) {
r = 0;
testCache1(0);
}
tt = endTimer();
cout<<r<<endl;
cout<<tt/BILLION<<endl;
delete[] treeArray;
delete[] treeArrayReferences;
return 0;
}
编辑 2:
我用 valgrind 运行一些分析测试。这些说明实际上可能是这里的开销,但我不明白为什么。例如,即使在上面的 perf 实验中,一个版本也给出了大约 200 亿条指令,而另一个版本给出了 110 亿条。这是 90 亿的差异。
启用 -O3
我得到以下信息:
所以函数调用在 testCache1
中是昂贵的,而在 testCache4
中没有成本?两种情况下的函数调用量应该是一样的……
最佳答案
我想这个问题是对缓存引用实际计数的误解。
如 this answer 中所述Intel CPU 上的缓存引用实际上是对末级缓存的引用数。因此,由 L1 缓存提供的内存引用不计算在内。Intel 64 and IA-32 Architectures Developer's Manual指出来自 L1 预取器的加载被计算在内。
如果您实际比较缓存未命中的绝对数量,您会发现这两个函数的数量大致相等。我在测试中使用了一个完全平衡的树,删除了 pos
以获得 16 的大小,非常适合缓存行并得到以下数字:
testCache4
:
843.628.131 L1-dcache-loads (56,83%)
193.006.858 L1-dcache-load-misses # 22,73% of all L1-dcache hits (57,31%)
326.698.621 cache-references (57,07%)
188.435.203 cache-misses # 57,679 % of all cache refs (56,76%)
testCache1
:
3.519.968.253 L1-dcache-loads (57,17%)
193.664.806 L1-dcache-load-misses # 5,50% of all L1-dcache hits (57,24%)
256.638.490 cache-references (57,12%)
188.007.927 cache-misses # 73,258 % of all cache refs (57,23%)
如果我手动禁用所有硬件预取器:
testCache4
:
846.124.474 L1-dcache-loads (57,22%)
192.495.450 L1-dcache-load-misses # 22,75% of all L1-dcache hits (57,31%)
193.699.811 cache-references (57,03%)
185.445.753 cache-misses # 95,739 % of all cache refs (57,17%)
testCache1
:
3.534.308.118 L1-dcache-loads (57,16%)
193.595.962 L1-dcache-load-misses # 5,48% of all L1-dcache hits (57,18%)
193.639.498 cache-references (57,12%)
185.120.733 cache-misses # 95,601 % of all cache refs (57,15%)
如您所见,差异现在已经消失。由于预取器和实际引用被计算了两次,所以只有额外的缓存引用事件。
实际上,如果计算所有内存引用,testCache1
的总缓存未命中率较低,因为每个 tree_node
被引用了 4 次,而不是 1 次,但是tree_node
位于同一缓存行,因此只有四分之一未命中。
对于 testCache4
,您可以看到 L1d 加载未命中率实际上接近 25%,如果 sizeof(tree_node) == 16
并且缓存行是64 字节。
此外,编译器(至少是带 -O2 的 gcc)对两个函数应用尾递归优化,消除了 testCache4
的递归,同时使 testCache1
成为单向递归。因此 testCache1
有许多对栈帧的额外缓存引用,而 testCache4
没有。
您也可以使用 valgrind 在没有预取器的情况下获得结果,它的输出可能也更可靠。不过,它不会模拟 CPU 缓存的所有属性。
关于您的编辑:正如我提到的 gcc 应用尾递归优化,因此 testCache4
中没有剩余调用,当然 testCache1
中的递归和额外内存负载具有重要意义与 testCache4
中留下的简单加载/添加循环相比的指令开销。
关于c++ - 为什么这个递归 C++ 函数有如此糟糕的缓存行为?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/39374887/
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