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python - C++ vs python numpy 复杂数组性能

问题描述

谁能告诉我为什么这两个程序在运行时间上有巨大差异？我只是将两个大型复杂数组相乘并比较 python (numpy) 和 c++ 中的时间。我正在使用带有 g++ 的 -O3 标志来编译这个 C++ 代码。我发现只有当我在 C++ 中使用复杂的浮点数时才会出现巨大的差异，它在 numpy 中的速度要快 20 倍以上。

蟒蛇代码：

import numpy as np
import time


if __name__ == "__main__":

    # check the data type is the same
    a = np.zeros((1), dtype=np.complex128)
    a[0] = np.complex(3.4e38,3.5e38)
    print(a)
    b = np.zeros((1), dtype=np.complex64)
    b[0] = np.complex(3.4e38,3.5e38)
    print(b)  # imaginary part is infinity

    length = 5000;
    A = np.ones((length), dtype=np.complex64) * np.complex(1,1)
    B = np.ones((length), dtype=np.complex64) * np.complex(1,0)

    num_iterations = 1000000
    time1 = time.time()
    for _ in range(num_iterations):
        A *= B

    time2 = time.time()
    duration = ((time2 - time1)*1e6)/num_iterations
    print(duration)

C++ 代码：

#include <iostream>
#include <complex>
#include <chrono>
using namespace std::chrono;
using namespace std;

int main()
{

  // check the data type is the same
  complex<double> a = complex<double>(3.4e38, 3.5e38);
  cout << a << endl;
  complex<float> b = complex<float>(3.4e38, 3.5e38);
  cout << b << endl;  // imaginary part is infinity

  const int length = 5000;
  static complex<float> A[length];
  static complex<float> B[length];

  for(int i=0; i < length; i++) {
    A[i] = complex<float>(1,1);
    B[i] = complex<float>(1,0);
  }

  int num_iterations = 1000000;
  auto time1 = high_resolution_clock::now();
  for(int k=0; k < num_iterations; k++)
    for(int i=0; i < length; i++)
      A[i] *= B[i];

  auto time2 = high_resolution_clock::now();

  auto duration = duration_cast<microseconds>(time2 - time1);
  cout << "average time:" << duration.count() / num_iterations << endl;

}

标签： pythonc++numpy

解决方案

C++ 编译器正在为您做一些额外的检查，以便正确处理 NaN 和其他此类“标准”行为。如果您添加-ffast-math优化标志，您将获得更理智的速度，但更少的“标准”行为。egcomplex<float>(inf,0)*complex<float>(inf,0)不会被评估为complex<float>(inf,0). 你真的在乎吗？

numpy 正在做有意义的事情，而不是受到对 C++ 标准的狭隘阅读的阻碍。

例如，直到最近的g++ 版本，除非使用，否则以下函数中的后者要快得多-ffast-math。

complex<float> mul1( complex<float> a,complex<float> b)
{
    return a*b;
}

complex<float> mul2( complex<float> a,complex<float> b)
{
    float * fa = reinterpret_cast<float*>(&a);
    const float * fb = reinterpret_cast<float*>(&b);
    float cr = fa[0]*fb[0] - fa[1]*fb[1];
    float ci = fa[0]*fb[1] + fa[1]*fb[0];
    return complex<float>(cr,ci);
}

您可以在https://godbolt.org/z/kXPgCh上对此进行试验以 获取程序集输出以及前一个函数如何默认调用 __mulsc3

PS 准备好迎接对 C++ 标准所说的另一波愤怒了std::complex<T>吗？你能猜出std::norm默认是如何实现的吗？一起玩。点击链接并花十秒钟思考它。

剧透：它可能正在使用 sqrt 然后对其进行平方。

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