c - 在 C 中调用常数复数的最快方法

Question

我在 C 中使用 GSL 来处理复数。

我不得不多次使用像 +-1、0、+-i 这样的复数(跨不同的函数)，我想像 10^9 这样的东西(也许更多，还不知道)，所以我需要一种非常快速的方式来调用它们。

在 gsl_complex_math.h 中它们是这样定义的:

#define GSL_COMPLEX_ONE (gsl_complex_rect(1.0,0.0))

在哪里

gsl_complex_rect (double x, double y)
{                               /* return z = x + i y */
  gsl_complex z;
  GSL_SET_COMPLEX (&z, x, y);
  return z;
}

和

#define GSL_SET_COMPLEX(zp,x,y) do {(zp)->dat[0]=(x); (zp)->dat[1]=(y);} while(0)

就我的目的而言，这看起来像是大量的代码和临时变量声明，但我在评估代码效率方面的经验完全为零。

如果我像这样在 global.h 的 header 中声明一个全局变量会怎样:

#if defined MAIN_PROGRAM
    #define EXTERN
#else
    #define EXTERN extern
#endif
EXTERN const gsl_complex C_U = {.dat[0] = 1., .dat[1] = 0.}

1) 我应该期待性能提升吗？2)代码是否足够干净？我要进入任何陷阱了吗？3)有更好的方法吗？

Answer 1

1. 过早的优化是一件坏事。在您拥有可以进行基准测试(启用编译器优化!)的有效实现之后，这个小的更改很容易实现!

2. a) 将全局常量用于公共(public)值是(适度)一种干净的编码方式。然而，如果库本身已经提供了这样的常量(或者在这种情况下，看起来像常量的函数)，那么使用它们通常会更干净(进入项目的新程序员将立即看到发生了什么，而无需遵循您的自定义定义)

   b) 全局常量的潜在问题是:

   • 变量是被复制还是被引用？ (每个人在他们自己的情况下可能会更快，通常取决于结构的大小与指针的大小和取消引用的成本)
   • 这个值真的是常量吗？ (一个行为不佳的函数可能会抛弃 const-ness 并尝试更改它，这可能会导致一些延长的调试 session )
   • 您最终可能会得到更糟糕的引用局部性(函数使用的值在内存中的距离会更远，从而导致更少的缓存命中，可能会降低性能)

3. 对于这么小的对象，构造开销如此之低，没有比您已经知道的两个选项更好的方法了。对于需要花费更多精力来构建的较大对象，具有缓存的工厂模式可能更合适，但此处不适用。

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详细说明 (1):

库使用的代码将比您想象的更优化；

• do...while 是宏定义中的常见模式，任何体面的编译器都会将其完全删除。这只是一种确保多个命令在无括号 if 以及其他地方
中使用时仍能正常运行的方法
• 该函数可能对其返回值应用了复制省略(即没有临时值，也没有复制)，或者甚至是完全内联的(没有临时值，没有复制，也没有函数调用)。由于 C 的 as-if 规则，两者都被允许

这意味着优化后的总成本将是堆栈上的内存空间和 2 个赋值(对于一个好的编译器，如果 2 个赋值可以优化为包含两个值的单个赋值，我不会感到惊讶)。对于较低级别的优化，它还可能涉及函数调用。

所以最后的比较是这样的:

• 就地构建与复制全局常量:完全优化后，它们是相同的(已使用 Clang 3.7 进行测试和确认)。
• 就地构建与指向全局常量的指针:根据环境中指针的大小，复制指针可能比创建新对象更快，但由于引用的局部性问题，它的性能可能更差