循环展开有利的条件以及收益率下降的点？

Posted 2023-02-17

【中文标题】循环展开有利的条件以及收益率下降的点？

【英文标题】：Conditions for loop unrolling to be beneficial and the point at which margins of return decrease?

【发布时间】：2013-06-21 20:48:27

【问题描述】：

请有人首先解释一下展开循环（在 C/C++ 中）在什么时候成为有用的优化？

其次，与第一个问题有关，什么时候不应该进一步展开展开？是否应该始终将展开操作拆分为 2 的幂的批次？或者它是否与您的 CPU 可以执行多少计算有关？一个比率是缓存行大小的乘数？等等

例如，如果我有一个从 0 到 99 的 for 循环会更好/我如何确定哪个（除了反复试验）- 是否有科学方法：

0 到 49，每个循环有两个“操作” 0 到 24，每个循环有四个“操作” 0 到 19 和每个循环五个“操作” 0 到 9 和每个循环十个“操作”

【问题讨论】：

有问题吗？如果是，请分析、更改并重复，直到满意为止。否则离开它。

通常编译器可以为您执行此操作。这是一个微观优化，是否有用将取决于具体情况。因此，基准测试。

（如果您可以将循环展开与特定于体系结构的矢量化结合起来，那就另当别论了。这通常会大大提高性能，并被许多高性能库使用。但同样只能是通过基准测试验证）

基本上，如果您继续展开循环开销（在单步执行、条件检查和分支指令上花费的时间）相对于实际完成的工作来说很小的点，那么您只是在浪费资源一次（展开）迭代中的循环体。没有理由更喜欢两个或特定除法的幂，但是如果循环具有固定的迭代次数，最好确保展开的步骤数均匀地除以迭代次数，这样您就不需要特殊的修复代码为尾巴。

@jxh：这是在课堂上听到的或在博客中回响的。也许会，也许不会。您必须检查汇编代码才能找到答案。 “应该”和“做”之间有很大的区别。

【参考方案1】：

如果不提及Duff's Device，我不能让有关循环展开的问题长时间无人回答。此实现与经典版本略有不同，但仍然有效。

假设您正在对一块内存应用掩码：

while (n-- > 0) 
    *ptr++ &= mask;

然后，可以这样展开：

switch (n % 4) do 
case 0: *ptr++ &= mask;
case 3: *ptr++ &= mask;
case 2: *ptr++ &= mask;
case 1: *ptr++ &= mask;
 while ((n -= 4) > 0);

如果迭代跳转的成本占循环迭代内完成的工作成本的很大一部分，则循环展开很有用。一个好的优化编译器可以在足够的优化级别为您解决这个问题。如果您的编译器无法执行此操作，您只需自行展开。

如 cmets 中所述，一旦跳转的计算成本与展开的循环体的计算相比不再显着，则无需展开。极端情况下，循环展开可能会导致指令缓存抖动，从而损害性能（类似于过度使用函数内联）。