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c - 为什么 linux 内核中的 bitops 性能比我的慢？

问题描述

我正在寻找用 c 语言编写的最佳 bitops 库或函数，因此我认为 linux 内核在这种情况下是最好的。
所以我从 arch/x86/include/asm/bitops.h 中复制了 Linux 内核的 set_bit 函数并与我的比较，看到了一个奇怪的结果！！！

kernel_bitops.c

#define ADDR                   BITOP_ADDR(addr)
#define __ASM_FORM(x)          #x 
#define BITOP_ADDR(x)          "m" (*(volatile long *) (x))
#define __ASM_SEL(a,b)          __ASM_FORM(b)
#define __ASM_SIZE(inst, ...)   __ASM_SEL(inst##l##__VA_ARGS__, inst##q##__VA_ARGS__)

__always_inline void linux_set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr)
{
  asm volatile(__ASM_SIZE(bts) " %1,%0" : : ADDR, "Ir" (nr) : "memory");
}

my_bitops.c

#define SETBIT(_value, _bitIndex)   _value |= (1ul<<(_bitIndex))
__always_inline void mine_set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr)
{
    SETBIT(*addr,nr)
}

主程序

#define ARRAY_SIZE  10000000
static unsigned long num_array[ARRAY_SIZE];
unsigned long int num = 0x0F00000F00000000;
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    num_array[i] = num;

clock_t start = clock();
for (unsigned long int i = 0 ; i < ARRAY_SIZE; i++)
    for (unsigned long int j = 0; j < sizeof(unsigned long int) * 8; j++)
         // linux_set_bit(j, &num_array[i]);
         // mine_set_bit(j, &num_array[i]);
clock_t end = clock();

Linux 所用
时间：1375991 us 我所用时间：912256 us
CPU：Intel(R) Core(TM) i7-7700K CPU @ 4.20GHz

使用 -O2 生成的汇编代码是：

            26 [1]                 linux_set_bit(j, &num_array[i]);
    0x4005c0  <+   90>        48 8b 45 d0                    mov    -0x30(%rbp),%rax
    0x4005c4  <+   94>        48 c1 e0 03                    shl    $0x3,%rax
    0x4005c8  <+   98>        48 8d 90 60 10 60 00           lea    0x601060(%rax),%rdx
    0x4005cf  <+  105>        48 8b 45 d8                    mov    -0x28(%rbp),%rax
    0x4005d3  <+  109>        48 89 d6                       mov    %rdx,%rsi
    0x4005d6  <+  112>        48 89 c7                       mov    %rax,%rdi
    0x4005d9  <+  115>        e8 69 00 00 00                 callq  0x400647 <linux_set_bit>

        71 [1]    asm volatile(__ASM_SIZE(bts) " %1,%0" : : ADDR, "Ir" (nr) : "memory");
0x400653  <+   12>        48 8b 45 f0  mov    -0x10(%rbp),%rax
0x400657  <+   16>        48 8b 55 f8  mov    -0x8(%rbp),%rdx
0x40065b  <+   20>        48 0f ab 10  bts    %rdx,(%rax)

        19 [1]      SETBIT(*addr,nr);
0x400653  <+   12>        48 8b 45 f0     mov    -0x10(%rbp),%rax
0x400657  <+   16>        48 8b 00        mov    (%rax),%rax
0x40065a  <+   19>        48 8b 55 f8     mov    -0x8(%rbp),%rdx
0x40065e  <+   23>        be 01 00 00 00  mov    $0x1,%esi
0x400663  <+   28>        89 d1           mov    %edx,%ecx
0x400665  <+   30>        d3 e6           shl    %cl,%esi
0x400667  <+   32>        89 f2           mov    %esi,%edx
0x400669  <+   34>        89 d2           mov    %edx,%edx
0x40066b  <+   36>        48 09 c2        or     %rax,%rdx
0x40066e  <+   39>        48 8b 45 f0     mov    -0x10(%rbp),%rax
0x400672  <+   43>        48 89 10        mov    %rdx,(%rax)

我哪里错了？还是Linux运行缓慢？

标签： clinuxperformanceassemblyx86-64

解决方案

主要区别在于您的代码无法处理大于无符号长整数位数的“位数”，而 Linux 版本可以。由于这种差异，您编写了一个适用于您的版本限制的循环，当没有这些限制时，这并不理想，对于 Linux 版本也不理想。

具体来说; 对于 Linux 的版本，您可以/应该这样做：

for (unsigned long int i = 0 ; i < ARRAY_SIZE * sizeof(unsigned long int) * 8; i++) {
    linux_set_bit(i, num_array);
}

通过删除整个内部循环开销，加上找到指向数组元素（&num_array[i]部分）的指针所需的计算，它会明显更快（并且可能比你的更快）。

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