c - 为什么多个 if 语句比执行 while 循环更快？

Question

我的程序的输入是一个很大的字符串，大约有 30,000 个字符。下面是我自己的 strlen 的代码:

size_t  strlen(const char *c)
{
    int i;

    i = 0;
    while (c[i] != '\0')
        i++;
    return (i);
}

上面的 strlen 版本执行大约需要 2.1 秒。通过不同的版本，我能够达到约 1.4 秒。

我的问题是，为什么多个 if 语句比执行 while 循环更快？

size_t  strlen(const char *str)
{
    const char  *start;

    start = str;
    while (1)
    {
        if (str[0] == '\0')
            return (str - start);
        if (str[1] == '\0')
            return (str - start + 1);
        if (str[2] == '\0')
            return (str - start + 2);
        if (str[3] == '\0')
            return (str - start + 3);
        if (str[4] == '\0')
            return (str - start + 4);
        if (str[5] == '\0')
            return (str - start + 5);
        if (str[6] == '\0')
            return (str - start + 6);
        if (str[7] == '\0')
            return (str - start + 7);
        if (str[8] == '\0')
            return (str - start + 8);
        str += 9; // 
    }
}

我的问题是，为什么这么多 if 语句比仍然运行循环更快？

编辑:使用标准库，大约需要 1.25 秒。

Answer 1

您的问题是相关的，但您的基准测试不完整并且结果令人惊讶。

这是代码的修改和检测版本:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define VERSION     3
#define TRIALS      100
#define ITERATIONS  100

#if VERSION == 1

size_t strlen1(const char *c) {
    size_t i;

    i = 0;
    while (c[i] != '\0')
        i++;
    return (i);
}
#define strlen(s)  strlen1(s)

#elif VERSION == 2

size_t strlen2(const char *str) {
    const char  *start;

    start = str;
    while (1) {
        if (str[0] == '\0')
            return (str - start);
        if (str[1] == '\0')
            return (str - start + 1);
        if (str[2] == '\0')
            return (str - start + 2);
        if (str[3] == '\0')
            return (str - start + 3);
        if (str[4] == '\0')
            return (str - start + 4);
        if (str[5] == '\0')
            return (str - start + 5);
        if (str[6] == '\0')
            return (str - start + 6);
        if (str[7] == '\0')
            return (str - start + 7);
        if (str[8] == '\0')
            return (str - start + 8);
        str += 9;
    }
}
#define strlen(s)  strlen2(s)

#elif VERSION == 3

size_t strlen3(const char *str) {
    const uint64_t *px, sub = 0x0101010101010101, mask = 0x8080808080808080;
    const char *p;

    for (p = str; (uintptr_t)p & 7; p++) {
        if (!*p)
            return p - str;
    }
    for (px = (const uint64_t *)(uintptr_t)p;;) {
        uint64_t x = *px++;
        if (((x - sub) & ~x) & mask)
            break;
    }
    for (p = (const char *)(px - 1); *p; p++)
        continue;
    return p - str;
}
#define strlen(s)  strlen3(s)

#endif

int get_next_line(int fd, char **pp) {
    char buf[32768];
    char *line = NULL, *new_line;
    char *p;
    ssize_t line_size = 0;
    ssize_t nread, chunk;

    while ((nread = read(fd, buf, sizeof buf)) > 0) {
        p = memchr(buf, '\n', nread);
        chunk = (p == NULL) ? nread : p - buf;
        new_line = realloc(line, line_size + chunk + 1);
        if (!new_line) {
            free(line);
            *pp = NULL;
            return 0;
        }
        line = new_line;
        memcpy(line + line_size, buf, chunk);
        line_size += chunk;
        line[line_size] = '\0';
        if (p != NULL) {
            lseek(fd, chunk + 1 - nread, SEEK_CUR);
            break;
        }
    }
    *pp = line;
    return line != NULL;
}

int main() {
    char *line = NULL;
    int fd, fd2, count, trial;
    clock_t min_clock = 0;

    fd = open("one_big_fat_line.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        printf("cannot open one_big_fat_line.txt\n");
        return 1;
    }

    fd2 = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IREAD | S_IWRITE);
    if (fd2 < 0) {
        printf("cannot open output.txt\n");
        return 1;
    }

    for (trial = 0; trial < TRIALS; trial++) {
        clock_t t = clock();
        for (count = 0; count < ITERATIONS; count++) {
            lseek(fd, 0L, SEEK_SET);
            lseek(fd2, 0L, SEEK_SET);
            while (get_next_line(fd, &line) == 1) {
                write(fd2, line, strlen(line));
                write(fd2, "\n", 1);
                free(line);
            }
        }
        t = clock() - t;
        if (min_clock == 0 || min_clock > t)
            min_clock = t;
    }
    close(fd);
    close(fd2);

    double time_taken = (double)min_clock / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("Version %d time: %.3f microseconds\n", VERSION, time_taken * 1000000 / ITERATIONS);
    return 0;
}

程序打开一个文件，使用自定义函数从中读取行 read_next_line()使用 UNIX 系统调用和 malloc返回任意大小的行。然后它使用 unix 系统调用 write 写入这些行。并通过单独的系统调用附加换行符。

使用您的测试文件(一个包含单行 ASCII 字符的 30000 字节文件)对该序列进行基准测试，显示出与您测量的结果截然不同的性能:取决于所选的 strlen 实现以及编译优化设置，我的笔记本电脑上每次迭代的时间范围从 15 微秒到 82 微秒，远不及您观察到的 1 或 2 秒。

• 使用 C 库默认实现，无论是否进行优化，每次迭代的时间都是 14.5 微秒。

• 使用您的strlen1天真的实现，禁用优化时我得到 82 微秒，-O3 时我得到 25 微秒。优化。

• 使用您的strlen2展开实现，速度提高到 30 微秒 -O0和 20 微秒 -O3 .

• 最后，更高级的 C 实现一次读取 8 个字节 strlen3 -O0 在 21 微秒内提供进一步改进的性能和 15.5 微秒 -O3 .

请注意编译器优化对性能的影响远大于手动优化。

展开版本性能更好的原因是生成的代码每个字节递增一次指针，并且每个字节执行一次无条件跳转，而展开版本将这些减少到每 9 个字节一次。但请注意，C 编译器获得与 -O3 几乎相同的性能。简单的代码就像你自己展开循环一样。

高级版本在性能上非常接近C库实现，它可以使用带有SIMD指令的汇编语言。它一次读取 8 个字节，并执行算术技巧来检测这些字节中是否有任何字节的最高位从 0 更改。至1当减去1时从它的值(value)来看。需要额外的初始步骤来对齐指针以读取 64 位字，从而避免在某些体系结构上具有未定义行为的未对齐读取。它还假设内存保护在字节级别不可用。在现代 x86 系统上，内存保护具有 4K 或更大的粒度，但其他一些系统(例如 Windows 2.x)的保护粒度要细得多，完全阻止了这种优化。

但请注意，基准测试还测量从输入文件读取、找到换行符并写入输出文件的时间。 strlen的相对表现和strlen3可能更重要。事实上，一个单独的基准只是 strlen(line) 30000 字节行显示 strlen3() 的时间为 2.2 微秒strlen() 为 0.85 微秒.

结论:

• 基准测试是一个棘手的游戏。
• 编译器在被告知时擅长优化，-O3是一个很好的默认值。
• 重新定义库函数来尝试和优化它们是徒劳且有风险的。