Haskell FFI/C 的性能考虑？

Posted 2023-02-19

【中文标题】Haskell FFI/C 的性能考虑？

【英文标题】：Performance considerations of Haskell FFI / C?

【发布时间】：2011-08-05 15:09:34

【问题描述】：

如果使用 Haskell 作为 库 被 我的 C 程序调用，那么调用它会对性能产生什么影响？例如，如果我有一个包含 20kB 数据的问题世界数据集，并且我想运行类似：

// Go through my 1000 actors and have them make a decision based on
// HaskellCode() function, which is compiled Haskell I'm accessing through
// the FFI.  As an argument, send in the SAME 20kB of data to EACH of these
// function calls, and some actor specific data
// The 20kB constant data defines the environment and the actor specific
// data could be their personality or state
for(i = 0; i < 1000; i++)
   actor[i].decision = HaskellCode(20kB of data here, actor[i].personality);

这里会发生什么 - 我是否可以将 20kB 的数据作为全局不可变引用保存在 Haskell 代码可以访问的某个地方，或者我必须每次都创建该数据的副本？

令人担忧的是，这些数据可能会越来越大 - 我还希望编写能够作用于更大数据集的算法，使用与 Haskell 代码的多次调用相同的不可变数据模式。

另外，我想将其并行化，例如 dispatch_apply() GCD 或 Parallel.ForEach(..) C#。我在 Haskell 之外进行并行化的理由是，我知道我将始终对许多单独的函数调用（即 1000 个参与者）进行操作，因此在 Haskell 函数中使用细粒度并行化并不比在 C 级别管理它好。正在运行 FFI Haskell 实例“线程安全”，我如何实现这一点 - 每次启动并行运行时是否需要初始化 Haskell 实例？ （如果必须的话，似乎很慢..）如何以良好的性能实现这一目标？

【问题讨论】：

helper data pList = map (f data) pList 或类似的可能吗？

@Dan，我真的不知道。也许您可以通过答案详细说明-谢谢

【参考方案1】：

Haskell can peek into that 20k blob if you pass the pointer.

【参考方案2】：

调用它对性能有何影响

假设您在我的机器上只启动一次 Haskell 运行时 (like this)，从 C 向 Haskell 进行函数调用，在边界上来回传递一个 Int，大约需要 80,000 个周期（在我的 Core 2 上 31,000 ns）- 通过 rdstc 寄存器实验确定

我是否可以将 20kB 的数据作为全局不可变引用保存在 Haskell 代码可以访问的某个地方

是的，这当然是可能的。如果数据确实是不可变的，那么无论您：

通过编组跨语言边界来回线程化数据； 来回传递对数据的引用； 或将其缓存在 Haskell 端的 IORef 中。

哪种策略最好？这取决于数据类型。最惯用的方法是来回传递对 C 数据的引用，在 Haskell 端将其视为 ByteString 或 Vector。

我想并行化这个

我强烈建议在那时反转控件，并从 Haskell 运行时进行并行化——它会更加健壮，因为该路径已经过大量测试。

关于线程安全，对在同一运行时运行的foreign exported 函数进行并行调用显然是安全的——尽管相当肯定没有人尝试过这样做以获得并行性。调用获取一种能力，本质上是一个锁，因此多个调用可能会阻塞，从而减少并行的机会。在多核情况下（例如-N4 左右），您的结果可能会有所不同（有多种功能可用），但是，这几乎可以肯定是提高性能的不好方法。

再次重申，通过 forkIO 从 Haskell 进行许多并行函数调用是一种更好的文档记录、更好的测试路径，与在 C 端进行工作相比开销更少，并且最终可能更少的代码。

只需调用您的 Haskell 函数，该函数将通过许多 Haskell 线程进行并行处理。简单！

【讨论】：

从你在这里所说的（这一切听起来不错），我要解决的主要性能问题似乎是跨越 C/Haskell 之间的边界 - 对吗？ 31usecs 是可以忍受的，但是这样做 100 或 1000 次变得非常昂贵。一旦我“越过边界”，我认为我将获得更快的处理速度，并且 31usec 应该是一个相当恒定的每批次运行一次命中。我明白了吗？此外，当从 C 到 Haskell 运行第二个函数调用时，您是否会得到同样的结果，或者 31usec 是否包括初始运行时设置？我说不出来

31usec 不包括启动运行时。一旦进入 Haskell 领域，函数调用就会以正常速度运行（例如跳跃的速度）。

我同意唐的观点。我会将那个循环移到 Haskell 端，这样你就只会交叉一次，并且更容易并行化。

@Don 如果你愿意，我可以打开一个新 Q，但我如何设计软件来避免这种昂贵的跨界。也就是说，如果我知道我在全局空间中引用参数，并且我知道我将以 30hz 调用 Haskell 函数，有没有办法将边界交叉传递到我的 C 代码中，向 Haskell 函数发出信号运行并将其结果放在全局内存空间引用中？

我绝对可以从 C 中并行调用外部导出函数，它的工作原理就像一个魅力。

【参考方案3】：

免责声明：我没有使用 FFI 的经验。

但在我看来，如果您想重用 20 Kb 的数据而不是每次都传递它，那么您可以简单地使用一个方法来获取“个性”列表，并返回一个列表“决定”。

所以如果你有一个函数

f :: LotsaData -> Personality -> Decision
f data p = ...

那为什么不做一个辅助函数

helper :: LotsaData -> [Personality] -> [Decision]
helper data ps = map (f data) ps

然后调用它？但是，如果您想使用这种方式进行并行化，则需要在 Haskell 端使用并行列表和并行映射。

我请专家解释是否/如何将 C 数组轻松编组为 Haskell 列表（或类似结构）。

【参考方案4】：

我在我的一个应用程序中混合使用了 C 和 Haskell 线程，并没有注意到在两者之间切换对性能有太大影响。所以我制作了一个简单的基准……它比 Don 的更快/更便宜。这是在 2.66GHz i7 上测量 1000 万次迭代：

$ ./foo
IO  : 2381952795 nanoseconds total, 238.195279 nanoseconds per, 160000000 value
Pure: 2188546976 nanoseconds total, 218.854698 nanoseconds per, 160000000 value

在 OSX 10.6 上使用 GHC 7.0.3/x86_64 和 gcc-4.2.1 编译

ghc -no-hs-main -lstdc++ -O2 -optc-O2 -o foo ForeignExportCost.hs Driver.cpp

哈斯克尔：

-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface #-

module ForeignExportCost where

import Foreign.C.Types

foreign export ccall simpleFunction :: CInt -> CInt
simpleFunction i = i * i

foreign export ccall simpleFunctionIO :: CInt -> IO CInt
simpleFunctionIO i = return (i * i)

还有一个 OSX C++ 应用来驱动它，应该很容易适应 Windows 或 Linux：

#include <stdio.h>
#include <mach/mach_time.h>
#include <mach/kern_return.h>
#include <HsFFI.h>
#include "ForeignExportCost_stub.h"

static const int s_loop = 10000000;

int main(int argc, char** argv) 
    hs_init(&argc, &argv);

    struct mach_timebase_info timebase_info =  ;
    kern_return_t err;
    err = mach_timebase_info(&timebase_info);
    if (err != KERN_SUCCESS) 
        fprintf(stderr, "error: %x\n", err);
        return err;
    

    // timing a function in IO
    uint64_t start = mach_absolute_time();
    HsInt32 val = 0;
    for (int i = 0; i < s_loop; ++i) 
        val += simpleFunctionIO(4);
    

    // in nanoseconds per http://developer.apple.com/library/mac/#qa/qa1398/_index.html
    uint64_t duration = (mach_absolute_time() - start) * timebase_info.numer / timebase_info.denom;
    double duration_per = static_cast<double>(duration) / s_loop;
    printf("IO  : %lld nanoseconds total, %f nanoseconds per, %d value\n", duration, duration_per, val);

    // run the loop again with a pure function
    start = mach_absolute_time();
    val = 0;
    for (int i = 0; i < s_loop; ++i) 
        val += simpleFunction(4);
    

    duration = (mach_absolute_time() - start) * timebase_info.numer / timebase_info.denom;
    duration_per = static_cast<double>(duration) / s_loop;
    printf("Pure: %lld nanoseconds total, %f nanoseconds per, %d value\n", duration, duration_per, val);

    hs_exit();