常见架构的最快整数类型

Posted 2023-03-08

【中文标题】常见架构的最快整数类型

【英文标题】：Fastest integer type for common architectures

【发布时间】：2011-04-11 06:47:56

【问题描述】：

stdint.h 标头缺少与,uint_fastX_t 类型对应的int_fastest_t 和uint_fastest_t。对于整数类型的宽度无关紧要的情况，如何选择允许处理最多位且对性能的影响最小的整数类型？例如，如果一个人正在使用一种简单的方法在缓冲区中搜索第一个设置位，则可能会考虑这样的循环：

// return the bit offset of the first 1 bit
size_t find_first_bit_set(void const *const buf)

    uint_fastest_t const *p = buf; // use the fastest type for comparison to zero
    for (; *p == 0; ++p); // inc p while no bits are set
    // return offset of first bit set
    return (p - buf) * sizeof(*p) * CHAR_BIT + ffsX(*p) - 1;

当然，使用char 会导致比int 更多的操作。但是long long 可能会导致比在 32 位系统上使用 int 等的开销更昂贵的操作。

我目前的假设是针对主流架构，使用long 是最安全的选择：在 32 位系统上是 32 位，在 64 位系统上是 64 位。

【问题讨论】：

原生 int 大小会是最快的吗？ IOW int.

你确定需要指定 p 指向那里的 buf 吗？

实际上，我没有看到“快速”类型的意义。他们对哪些操作最快？对于您的应用程序，64 位类型可能是最快的，但对于除法，最宽的类型是最慢的。

感谢@Jon Cage，我在写这段代码时非常分心。

我明白了，代码被简化了，我希望你考虑到对齐。取消引用未对齐的指针，如果它不会导致一些致命错误，可能会非常慢。

【参考方案1】：

我不确定我是否真正理解了这个问题，但你为什么不直接使用 int？引用我的（错误的免费草稿副本，即 C++）标准，“普通整数具有执行环境架构所建议的自然大小。”

但我认为，如果你想对某个操作有最佳的整数类型，它会根据它是哪个操作而有所不同。尝试在大型数据缓冲区中找到第一位，或者在整数序列中找到一个数字，或者移动它们，很可能会有完全不同的最优类型。

编辑：

不管它值多少钱，我做了一个小基准测试。在我的特定系统（带有 Linux 的 Intel i7 920，gcc -O3）上，在这个特定的示例中，长整数（64 位）比普通整数（32 位）快很多。我会猜到相反的。

【讨论】：

int 在非常常见的 LP64 x86_64 平台上不是 64 位

@Matt：是的。但如果它更宽，它会自动更快吗？我不这么认为，但我没有对任何东西进行基准测试。

因为标准整数类型只有 5 种不同的可能大小（char、short、int、long、long long）并且所有的力量都倾向于拥有宽度为 8、16、32、64，在不久的将来为 128，int 将卡在 32 位上。它的定义与平台上的效率无关，而只是受其约束。在我的机器上，int 是 32 位，然后 int_fast32_t 是 long，而 long 又是 64 位。

@Jens Gustedt：这排除了int 在 x86 上不再是最快的时候/如果 32 位整数不再是最快的可能性，谢谢。

【参考方案2】：

对于所有现有的主流架构，long 是目前循环吞吐量最快的类型。

【讨论】：

也许是最快的标准类型。大多数支持多媒体的主流架构都有矢量扩展。

【参考方案3】：

由于问题不完整，无法回答此问题。打个比方，考虑一下这个问题：

最快的车是什么

Bugatti Veyron?肯定很快，但不适合从伦敦到纽约。

问题中缺少的是整数将在其中使用的上下文。在上面的原始示例中，如果数组又大又稀疏，我怀疑您会看到 8、32 或 64 位值之间的很大差异，因为您将在 CPU 限制之前达到内存带宽限制。

主要的一点是，架构并没有定义各种整数类型的大小，这是编译器设计者做的。设计师将仔细权衡给定架构的每种类型的各种尺寸的优缺点，并选择最合适的。

我猜选择 64 位系统上的 32 位 int 是因为对于大多数操作而言，int 用于 32 位就足够了。由于内存带宽是一个限制因素，因此节省内存使用可能是最重要的因素。

【讨论】：

当然，总吞吐量可能是一样的，但我需要这些周期来做其他事情。

@Matt:I need those cycles for other things - 嗯，除非您手动编写汇编程序以在指令级别交错多个任务，否则这些周期将被浪费，操作系统不会在那个频率/粒度。

【参考方案4】：

我猜想size_t（用于无符号类型）和ptrdiff_t（用于有符号类型）类型通常对应于任何给定平台上非常有效的整数类型。

但没有什么比检查生成的汇编器并做基准测试更能证明这一点了。

编辑，包括不同的 cmets，在此处和其他回复中：

size_t 和 ptrdiff_t 是唯一在 C99 中具有规范性的 typedef，人们可以合理地假设它们与架构相关。

标准整数类型有 5 种不同的可能等级（char、short、int、long、long long）。所有的力量都朝着宽度为 8、16、32、64 以及在不久的将来为 128 的类型发展。因此，int 将被卡在 32 位上。它的定义与平台上的效率无关，只是受到宽度要求的限制。

【讨论】：

我怀疑 size_t 被选为与寻址最大可寻址虚拟内存空间所需的整数宽度相匹配。虽然它可能与本机寄存器宽度相同，但我认为选择它时并没有考虑到性能。还有一个挑剔：ssize_t 应该用于这种有符号整数，ptrdiff_t 应该只用于指针减法:)（和 ,uintptr_t 用于一般指针操作:]）

@Matt: size_t 和 ptrdiff_t 是 C99 保证存在的唯一类型，其他类型是可选的。

【参考方案5】：

如果您使用 gcc 进行编译，我建议您使用 __builtin_ffs() 来查找第一个位集：

内置函数：int __builtin_ffs (unsigned int x) 返回一加 x 的最低有效 1 位的索引，或者如果 x 为零，则返回零。

这将被编译成（通常是单个）本机汇编指令。

【讨论】：

该示例仅用于说明。我用 ffsX 来表示非特定宽度的 ffs 实现。

【参考方案6】：

int_fast8_t 始终是正确实现中最快的整数类型。永远不可能有小于 8 位的整数类型（因为需要 CHAR_BIT>=8），并且由于 int_fast8_t 是最快的整数类型，至少有 8 位，因此它是最快的整数类型，句点。

【讨论】：

理论上这个答案是正确的（非常令人印象深刻的推理），但在我的系统上：typedef unsigned char uint_fast8_t;，我敢肯定这不会是最快的。

在 x86 上，除了 16 位（很慢）之外的所有类型都同样快。

实际上，稍微修正一下：对于单个变量，它们都同样快，但是如果您使用大量整数变量（尤其是数组），那么较小的类型当然会更快，因为减少了对缓存的影响。因此，从某种意义上说，char 是 x86 上最快的类型。

哦，看来我错过了你想要做的事情，但你的问题也误导了你说你不在乎大小。您确实关心大小，因为它会影响您必须循环的次数。在这种情况下，我建议只使用size_t 或uintptr_t，它们几乎可以肯定是系统字长（int 可能不是）。

VC++2013 有typedef unsigned char uint_fast8_t;，对吗？ char 是否提供与int 相同的速度？我记得在 crc8 实现中将 unsigned char 替换为 unsigned int 时，在 x86 和 PowerPC 平台上都提供了 4 倍的加速

【参考方案7】：

理论上，int 是最好的选择。它应该映射到 CPU 的本机寄存器大小，因此在您所询问的意义上是“最佳的”。

但是，您可能仍然发现 int-64 或 int-128 在某些 CPU 上比 int-32 更快，因为尽管它们大于寄存器大小，但它们会减少循环的迭代次数，因此可以通过最小化循环开销和/或利用 DMA 更快地加载/存储数据来提高效率。

（例如，在 ARM-2 处理器上，加载一个 32 位寄存器需要 4 个内存周期，但顺序加载两个只需要 5 个周期，顺序加载 4 个需要 7 个周期。您上面建议的例程将被优化使用尽可能多的寄存器（通常是 8 到 10 个），因此每次循环迭代使用多个寄存器可以使运行速度提高 3 到 4 倍）

确定的唯一方法是编写几个例程，然后在特定目标机器上对它们进行分析，以找出哪个产生最佳性能。

【讨论】：

除了我不认为int 映射到 x86_64 上的本机寄存器大小（这只是 LP64 传统的属性而不是 ARM 上的情况吗？），你让好点子！

@Matt：是的，这就是为什么我从“理论上”开始介绍自己的原因 :-) 'int' 的大小最终是编译器定义的，所以这种类型的优化确实必须确定每个平台上的每个编译器。

【参考方案8】：

答案是int 本身。至少在 C++ 中，标准的 3.9.1/2 说：

平原ints 有自然大小 建议的架构 执行环境

我希望 C 语言也是如此，尽管我没有任何标准文档。

【讨论】：

感谢标准报价，但您如何解释 LP64 x86_64？

@Matt：我相信 Intel x86_64 CPU 上的 64 位算术比 32 位算术慢。我的回忆是，AMD 最先推出了 64 位版本的 x86 通用指令集，64 位算法可能比 32 位快，也可能不如 32 位，英特尔不得不快速赶上，因此它的 64 位操作在与以前相同的 32 位宽数据路径上内部实现，因此花费的时间是普通 32 位操作的两倍。谁能证实这一点？

如果我们能得到确认，这绝对是最好的答案。

@Matt：可能值得搜索“64 位”或类似问题的 SO 问题......这可能就是我从那里得到的。抱歉，我现在没有时间自己做这件事。

【参考方案9】：

如果您想确定自己获得了最快的实现，为什么不在您期望运行的系统上对每一个进行基准测试，而不是尝试猜测？

【讨论】：

证明为什么如果这可以在一个平台一个平台的基础上进行基准测试，它不在 stdint.h 和它的同伴，,uint_leastX_t 类型可能已经经历了相同的检查？

这取决于您尝试实现的操作/算法。例如，看看 Jason Williams 的回答。这些类型可能会让您非常接近最快的解决方案，但可能在少数情况下有更快的方法来做事。最终，唯一确定的方法就是进行基准测试。