c - 简单数学函数的基准 : why is Fortran and Julia faster than C

Question

有各种论点认为，在某些情况下，Fortran 可以比 C 更快，例如在别名方面，我经常听说它比 C 做的自动矢量化更好(有关一些好的讨论，请参见 here)。

但是，对于一些简单的函数，例如计算斐波那契数和某个复数的 Mandelbrot，使用直接的解决方案，没有任何技巧和编译器的额外提示/关键字，我希望它们确实执行相同的操作。

C 实现:

int fib(int n) {
    return n < 2 ? n : fib(n-1) + fib(n-2);
}

int mandel(double complex z) {
    int maxiter = 80;
    double complex c = z;
    for (int n=0; n<maxiter; ++n) {
        if (cabs(z) > 2.0) {
            return n;
        }
        z = z*z+c;
    }
    return maxiter;
}

Fortran 实现:

integer, parameter :: dp=kind(0.d0)          ! double precision

integer recursive function fib(n) result(r)
integer, intent(in) :: n
if (n < 2) then
    r = n
else
    r = fib(n-1) + fib(n-2)
end if
end function

integer function mandel(z0) result(r)
complex(dp), intent(in) :: z0
complex(dp) :: c, z
integer :: n, maxiter
maxiter = 80
z = z0
c = z0
do n = 1, maxiter
    if (abs(z) > 2) then
        r = n-1
        return
    end if
    z = z**2 + c
end do
r = maxiter
end function

Julia 实现:

fib(n) = n < 2 ? n : fib(n-1) + fib(n-2)

function mandel(z)
    c = z
    maxiter = 80
    for n = 1:maxiter
        if abs(z) > 2
            return n-1
        end
        z = z^2 + c
    end
    return maxiter
end

(包含其他基准函数的完整代码可以在 here 中找到。)

根据Julia homepage , Julia 和 Fortran (with -O3) 在这两个函数上比 C (with -O3) 表现更好。

这怎么可能？

Answer 1

老实说，我不会太在意这些差异。不同的 C 编译器也会给出不同的结果。尝试使用 GCC 和 Clang 运行 C 微基准测试，您将获得几乎与 C 与 Fortran 一样多的差异。为什么 GCC 有时比 Clang 快有时不快？他们只是以不同的方式进行不同的优化和代码生成。相对性能在不同硬件上也不同，因为它可能取决于寄存器的确切数量、高速缓存大小、超标量吞吐量程度、各种指令的相对速度等。

奇怪的是 Fortran 对于 fib 基准测试来说如此要快得多，所以如果有人想出一个答案并在这里发布答案，我会很乐意投票，但 ≤ 15% 的差异在 Mandel 和其他基准测试中，并不是那么出色。这些基准测试对我来说最神秘的是为什么 Fortran 在整数解析方面如此缓慢。我怀疑这是因为该代码在做一些愚蠢的事情，但我不是 Fortran 编码员，所以我不确定应该改进什么。如果阅读本文的任何人是 Fortran 专家并且想看一看 this code ， 这将不胜感激。我怀疑 Fortran 比 C 慢 5 倍是错误的。

需要注意的一件事是，在整理这些基准测试结果时，我们拒绝零时间，以避免计算编译器只是常量折叠整个计算的情况。在某些优化级别上，这正是 C 和 Fortran 编译器所做的，并且很难强制它们不这样做，除非使用较低的优化级别。如果有人想弄清楚如何强制编译器不不断折叠这些结果，同时仍然完全优化基准代码，那将是一个受欢迎的贡献。 (一种可能的方法是使用完全优化将基准函数编译为共享库，然后在关闭链接时优化的情况下将其链接到主程序中。这很棘手，但可能会奏效。)

归根结底，过分担心精确的微基准数字会忽略大局。这些基准测试的要点是，某些语言具有可靠的快速标准实现——例如 C、Fortran、Julia 和 Go——而其他语言则没有。在慢速语言中，您有时不得不求助于使用不同的语言来获得所需的性能，而在可靠的快速语言中，您永远不必这样做。这就是全部的意义所在。快速语言的确切相对性能是一场军备竞赛:一种语言有时可能会领先，但其他语言将始终紧随其后 - 关键是它们在比赛中。