c++ - 在固定大小的数组上展开 C++ 中的循环是否有益?
问题描述
我想用std::array
来存储 N 维向量的数据并为这些向量实现算术运算。我想,由于std::array
now 有一个constexpr
size()
成员函数,我可以使用它来展开我需要对其元素进行算术运算的循环。
这是一个最小的例子:
#include <array>
#include <type_traits>
#include <iostream>
#include <cassert>
template<std::size_t N=0, typename Vector>
void plus_equals(Vector& result, Vector const& input)
{
result[N] += input[N];
if constexpr (N + 1 < result.size())
plus_equals<N+1>(result, input);
}
template<typename INT, size_t N>
class Vector
{
std::array<INT, N> data_;
public:
template<typename ... BracketList>
Vector(BracketList ... blist)
:
data_{std::forward<BracketList>(blist)...}
{}
INT& operator[](std::size_t i)
{
return data_[i];
}
INT operator[](std::size_t i) const
{
return data_[i];
}
decltype(auto) begin() const
{
return data_.begin();
}
decltype(auto) end() const
{
return data_.end();
}
decltype(auto) end()
{
return data_.end();
}
constexpr decltype(auto) size()
{
return data_.size();
}
void operator+=(Vector const& other)
{
plus_equals(*this, other);
}
};
template<size_t N = 0, typename Vector>
Vector operator+(Vector const& uVec, Vector const& vVec)
{
Vector result {uVec};
result += vVec;
return result;
}
template<size_t N = 0, typename Vector>
Vector sum(Vector const& uVec, Vector const& vVec)
{
Vector result {uVec};
for (decltype(result.size()) i = 0; i < result.size(); ++i)
result[i] += vVec[i];
return result;
}
template<typename Vector>
void print(Vector&& v)
{
for (const auto& el : v) std::cout << el << " ";
std::cout << std::endl;
}
using namespace std;
int main()
{
Vector<int, 3> c1 = {1,2,3};
Vector<int, 3> c2 = {3,2,1};
auto r1 = c1 + c2;
print (r1);
auto r2 = sum(c2, c2);
print (r2);
Vector<int, 3> s1, s2;
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s1[i];
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s2[i];
auto r3 = s1 + s2;
print(r3);
auto r4 = sum(s1, s2);
print(r4);
return 0;
}
该sum
操作是使用它来实现的plus_equals
,它应该展开对+=
Vector 元素的各个操作,并且该sum(Vector const&, Vector const&)
函数使用for
循环。
我在Godbolt上使用-O3 -std=c++2a
.
如果我注释掉除了
Vector<int, 3> c1 = {2,11,7};
Vector<int, 3> c2 = {9,22,5};
auto r1 = c1 + c2;
print (r1);
我明白了
movabs rax, 141733920779
sub rsp, 24
lea rdi, [rsp+4]
mov QWORD PTR [rsp+4], rax
mov DWORD PTR [rsp+12], 12
call void print<Vector<int, 3ul>&>(Vector<int, 3ul>&)
xor eax, eax
add rsp, 24
ret
这里发生了什么?为什么我看不到前两个常量c1[0] + c2[0]
和c1[1] + c2[1]
?另一方面7 + 5 = 12
是移动:
mov DWORD PTR [rsp+12], 12
为什么是汇编代码
int main()
{
Vector<int, 3> c1 = {2,11,7};
Vector<int, 3> c2 = {9,22,5};
//auto r1 = c1 + c2;
//print (r1);
auto r2 = sum(c1, c2);
print (r2);
完全相同的?
如果我尝试使用运行时变量:
Vector<int, 3> s1, s2;
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s1[i];
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s2[i];
auto r3 = s1 + s2;
print(r3);
我明白了
mov edx, DWORD PTR [rsp+28]
mov eax, DWORD PTR [rsp+32]
lea rdi, [rsp+36]
add eax, DWORD PTR [rsp+20]
add edx, DWORD PTR [rsp+16]
mov ecx, DWORD PTR [rsp+24]
add ecx, DWORD PTR [rsp+12]
mov DWORD PTR [rsp+44], eax
mov DWORD PTR [rsp+36], ecx
mov DWORD PTR [rsp+40], edx
它链接到plus_equals
函数模板并按预期展开迭代。
对于sum
:
Vector<int, 3> s1, s2;
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s1[i];
for (std::size_t i = 0; i < 3; ++i)
cin >> s2[i];
//auto r3 = s1 + s2;
//print(r3);
auto r4 = sum(s1, s2);
print(r4);
大会是:
mov edx, DWORD PTR [rsp+32]
add edx, DWORD PTR [rsp+20]
add ecx, eax
shr rax, 32
add eax, DWORD PTR [rsp+28]
mov DWORD PTR [rsp+44], edx
mov DWORD PTR [rsp+40], eax
mov DWORD PTR [rsp+36], ecx
并且没有相等比较和跳转,所以循环已经展开。
当我查看sum
模板的汇编代码时,那里有比较运算符和跳转。这是我所预料的,因为我认为编译器首先为 any 生成一个通用代码Vector
,然后再确定是否Vector::size()
是constexpr
并应用进一步的优化。
口译好吗?如果是这样,是否可以得出结论,手动展开固定大小数组的迭代是没有意义的,因为-O3
使用成员函数的循环constexpr size
无论如何都会被编译器展开?
解决方案
编译器足够智能,可以自动为您展开循环,您应该相信它能够进行这些(以及许多其他)优化。
一般来说,编译器更擅长进行微优化,而程序员更擅长进行宏优化。
微优化(编译器可以做什么):
- 展开循环
- 自动内联函数
- 应用尾调用优化来加速尾递归函数(许多最终与等效循环一样快)
- 省略复制和移动:如果您按值返回某些内容,在许多情况下,编译器可以摆脱复制或完全移动。
- 使用矢量化浮点指令(不过,这个指令有时仍需要您帮助编译器)
- 消除不必要或多余的 if 语句(例如,当您检查某些内容,然后调用一个也检查它的成员函数,当它内联成员函数时,它将消除不必要的检查)
- 内联 lambda 传递给其他函数(仅当您不将其包装时才会这样做
std::function
- 它不能 inlinestd::function
) - 将局部变量甚至整个结构存储在寄存器中,而不是使用 RAM 或缓存
- 很多数学优化
宏优化(编译器不能做的):
这些都是程序员还是要注意的。
- 改变数据的存储方式。如果某些东西不需要是指针,请将其存储在堆栈中!
- 更改用于计算某事的算法。算法设计还是很重要的!
- 其他的东西
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