第五次电源操作比switch语句执行得更快

Posted 2021-04-14

我正在研究一个问题，我需要返回数字0-9的五次幂，我以为我可以通过切换加速程序

int pow(int a){return a*a*a*a*a;}

出去

int pow(int a){
switch(a){
case 0: return 0; break;
case 1: return 1;  break;
case 2: return 32;  break;
case 3: return 243;  break;
case 4: return 1024;  break;
case 5: return 3125;  break;
case 6: return 7776;  break;
case 7: return 16807;  break;
case 8: return 32768;  break;
case 9: return 59049;  break;}
return 0;}

但是我意识到第一个函数的程序比第二个函数运行速度快20％，尽管第一个需要5个乘法运算而第二个函数只调用一个switch语句，为什么会这样？

答案

它并不像你想象的那样切割和干燥。根据您的输入，可以更快。在这种情况下，如果重复查看相同的值，表查找会更快。如果查找不同的值，则乘法更快。我猜这是分支预测器，每次都以常量值执行查找工作。

忽略“变化”的事实要高得多的事实 - 这就是模数的成本。只需将最左边的两个相互比较，然后将两个相互比较。

实时基准链接：http://quick-bench.com/uZLVxVIMxE21JTsHWJVN8Is-37I

生成的基准ASM显示在右下角的该链接中。

int pow(int a){return a*a*a*a*a;}
int pow2(int a){
switch(a){
case 0: return 0; break;
case 1: return 1;  break;
case 2: return 32;  break;
case 3: return 243;  break;
case 4: return 1024;  break;
case 5: return 3125;  break;
case 6: return 7776;  break;
case 7: return 16807;  break;
case 8: return 32768;  break;
case 9: return 59049;  break;}
return 0;}



static void multiply_varying(benchmark::State& state) {
  // Code inside this loop is measured repeatedly
  volatile int i = 0;
  for (auto _ : state) {
    i = (i + 1) % 9;
    benchmark::DoNotOptimize(pow(i));
  }
}
// Register the function as a benchmark
BENCHMARK(multiply_varying);

static void lookup_varying(benchmark::State& state) {
  volatile int i = 5;
  for (auto _ : state) {
        i = (i + 1) % 9;
    benchmark::DoNotOptimize(pow2(i));
  }
}
BENCHMARK(lookup_varying);

static void multiply_constant(benchmark::State& state) {
  // Code inside this loop is measured repeatedly
  volatile int i = 5;
  for (auto _ : state) {
    benchmark::DoNotOptimize(pow(i));
  }
}
// Register the function as a benchmark
BENCHMARK(multiply_constant);


static void lookup_constant(benchmark::State& state) {
  volatile int i = 5;
  for (auto _ : state) {
    benchmark::DoNotOptimize(pow2(i));
  }
}
BENCHMARK(lookup_constant);

编辑：略有不同的基准测试在两种情况下查找都更快：http://quick-bench.com/NRdzldykfQ8cQmGEn33FG0LMr2Q

另一答案

没有什么比这更令人惊讶的了：在第一种情况下（功率计算），a变量和结果将在后续乘法之间存储在处理器缓存中，因此如果使用第一个选项，则只会发生一次（远）内存读取。请注意，内存访问可能比乘法本身慢十几倍。

如果你使用switch，你需要一个内存读取加上一个控件跳转到一个标签（这通常是可执行代码的另一个内存读取）。所以这种方式需要更多的运行时间。

附：添加汇编代码示例（见下文）

乘法：

    movl    16(%rbp), %eax
    imull   16(%rbp), %eax
    imull   16(%rbp), %eax
    imull   16(%rbp), %eax
    imull   16(%rbp), %eax

使用开关 - >跳转到计算地址

    movl    16(%rbp), %eax
    leaq    0(,%rax,4), %rdx
    leaq    .L4(%rip), %rax
    movl    (%rdx,%rax), %eax
    movslq  %eax, %rdx
    leaq    .L4(%rip), %rax
    addq    %rdx, %rax
    jmp     *%rax

另一答案

由于分支时的管道停顿，switch语句可能会更慢。

使用表查找比使用switch语句更常见，如下所示：

int pow(int a){
  static const int pows[10] = { 0, 1, 32, 243, 1024, 3125, 7776, 16807, 32768, 59049 };
  if (a < 0 || a > 9) return 0;
  return pows[a];
}

但由于条件范围检查，这也可能很慢。