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c++ - 在固定大小的数组上展开 C++ 中的循环是否有用?

转载 作者:塔克拉玛干 更新时间:2023-11-03 00:46:29 25 4
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我想用std::array来存储N维 vector 的数据,并对这些 vector 进行算术运算。我想,因为 std::array 现在有一个 constexpr size() 成员函数,我可以用它来展开我的循环需要对其元素进行算术运算。

这是一个最小的例子:

#include <array> 
#include <type_traits>
#include <iostream>
#include <cassert>

template<std::size_t N=0, typename Vector>
void plus_equals(Vector& result, Vector const& input)
{
result[N] += input[N];

if constexpr (N + 1 < result.size())
plus_equals<N+1>(result, input);
}

template<typename INT, size_t N>
class Vector
{
std::array<INT, N> data_;

public:

template<typename ... BracketList>
Vector(BracketList ... blist)
:
data_{std::forward<BracketList>(blist)...}
{}

INT& operator[](std::size_t i)
{
return data_[i];
}

INT operator[](std::size_t i) const
{
return data_[i];
}

decltype(auto) begin() const
{
return data_.begin();
}

decltype(auto) end() const
{
return data_.end();
}

decltype(auto) end()
{
return data_.end();
}

constexpr decltype(auto) size()
{
return data_.size();
}

void operator+=(Vector const& other)
{
plus_equals(*this, other);
}
};

template<size_t N = 0, typename Vector>
Vector operator+(Vector const& uVec, Vector const& vVec)
{
Vector result {uVec};

result += vVec;

return result;
}

template<size_t N = 0, typename Vector>
Vector sum(Vector const& uVec, Vector const& vVec)
{
Vector result {uVec};

for (decltype(result.size()) i = 0; i < result.size(); ++i)
result[i] += vVec[i];

return result;
}

template<typename Vector>
void print(Vector&& v)
{
for (const auto& el : v) std::cout << el << " ";
std::cout << std::endl;
}

using namespace std;

int main()
{
Vector<int, 3> c1 = {1,2,3};
Vector<int, 3> c2 = {3,2,1};
auto r1 = c1 + c2;
print (r1);

auto r2 = sum(c2, c2);
print (r2);

Vector<int, 3> s1, s2;

for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s1[i];
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s2[i];

auto r3 = s1 + s2;
print(r3);

auto r4 = sum(s1, s2);
print(r4);


return 0;
}

sum 操作是使用 plus_equals 实现的,它应该展开对 Vector 元素的各个 += 操作,而 sum(Vector const&, Vector const&) 函数,使用 for 循环。

我在 godbolt 上编译了示例使用 -O3 -std=c++2a

如果我注释掉除

之外的所有内容
Vector<int, 3> c1 = {2,11,7}; 
Vector<int, 3> c2 = {9,22,5};
auto r1 = c1 + c2;
print (r1);

我明白了

    movabs  rax, 141733920779
sub rsp, 24
lea rdi, [rsp+4]
mov QWORD PTR [rsp+4], rax
mov DWORD PTR [rsp+12], 12
call void print<Vector<int, 3ul>&>(Vector<int, 3ul>&)
xor eax, eax
add rsp, 24
ret

这里发生了什么?为什么我看不到前两个常量 c1[0] + c2[0]c1[1] + c2[1]?另一方面,7 + 5 = 12 被移动了:

    mov     DWORD PTR [rsp+12], 12

为什么是汇编代码

int main()
{
Vector<int, 3> c1 = {2,11,7};
Vector<int, 3> c2 = {9,22,5};
//auto r1 = c1 + c2;
//print (r1);

auto r2 = sum(c1, c2);
print (r2);

完全一样?

如果我尝试使用运行时变量:

    Vector<int, 3> s1, s2; 
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s1[i];
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s2[i];

auto r3 = s1 + s2;
print(r3);

我明白了

    mov     edx, DWORD PTR [rsp+28]
mov eax, DWORD PTR [rsp+32]
lea rdi, [rsp+36]
add eax, DWORD PTR [rsp+20]
add edx, DWORD PTR [rsp+16]
mov ecx, DWORD PTR [rsp+24]
add ecx, DWORD PTR [rsp+12]
mov DWORD PTR [rsp+44], eax
mov DWORD PTR [rsp+36], ecx
mov DWORD PTR [rsp+40], edx

它链接到 plus_equals 函数模板并按预期展开迭代。

对于总和:

Vector<int, 3> s1, s2; 
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s1[i];
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s2[i];

//auto r3 = s1 + s2;
//print(r3);

auto r4 = sum(s1, s2);
print(r4);

程序集是:

    mov     edx, DWORD PTR [rsp+32]
add edx, DWORD PTR [rsp+20]
add ecx, eax
shr rax, 32
add eax, DWORD PTR [rsp+28]
mov DWORD PTR [rsp+44], edx
mov DWORD PTR [rsp+40], eax
mov DWORD PTR [rsp+36], ecx

并且没有相等比较和跳转,所以循环已经展开。

当我查看sum模板的汇编代码时,那里有比较运算符和跳转。这是我意料之中的,因为我认为编译器首先为任何 Vector 生成通用代码,然后再计算出 Vector::size() 是否为 constexpr 并应用进一步的优化。

解释可以吗?如果是这样,是否可以得出结论,手动展开固定大小数组的迭代没有意义,因为使用 -O3 时,将展开使用 constexpr size 成员函数的循环无论如何由编译器?

最佳答案

编译器足够智能,可以自动为您展开循环,您应该相信它能够进行这些(以及许多其他)优化。

一般来说,编译器更擅长微观优化,而程序员更擅长宏观优化。

微优化(编译器可以做什么):

  • 展开循环
  • 自动内联函数
  • 应用尾调用优化来加速尾递归函数(许多最终与等效循环一样快)
  • 省略复制和移动:如果您按值返回某些内容,在许多情况下,编译器可以删除复制或完全移动。
  • 使用矢量化浮点指令(虽然有时这仍然需要你帮助编译器)
  • 消除不必要或多余的 if 语句(例如,当您检查某些内容,然后调用一个也检查它的成员函数时,当它内联该成员函数时,它将消除不必要的检查)
  • 内联 lambda 传递给其他函数(只有当您不将其包装在 std::function 中时它才会这样做 - 它不能内联 std::function )
  • 在寄存器中存储局部变量甚至整个结构,而不是使用 RAM 或缓存​​
  • 很多数学优化

宏优化(编译器不能做的):

这些都是程序员还是要注意的。

  • 改变数据的存储方式。如果某些东西不需要是指针,就把它存储在堆栈上!
  • 更改用于计算某些内容的算法。算法设计仍然很重要!
  • 其他内容

关于c++ - 在固定大小的数组上展开 C++ 中的循环是否有用?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/54148457/

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