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c - 模运算符比手动执行慢？

问题描述

我发现手动计算%运算符__int128比内置编译器运算符快得多。我将向您展示如何计算模 9，但该方法可用于计算模任何其他数字。

首先，考虑内置的编译器运算符：

uint64_t mod9_v1(unsigned __int128 n)
{
    return n % 9;
}

现在考虑我的手动实现：

uint64_t mod9_v2(unsigned __int128 n)
{
    uint64_t r = 0;

    r += (uint32_t)(n);
    r += (uint32_t)(n >> 32) * (uint64_t)4;
    r += (uint32_t)(n >> 64) * (uint64_t)7;
    r += (uint32_t)(n >> 96);

    return r % 9;
}

测量超过 100,000,000 个随机数会得出以下结果：

mod9_v1 | 3.986052 secs
mod9_v2 | 1.814339 secs

GCC 9.3.0-march=native -O3用于 AMD Ryzen Threadripper 2990WX。 这是godbolt的链接。

我想问一下它在你这边的行为是否相同？（在向 GCC Bugzilla 报告错误之前）。

更新： 根据要求，我提供了一个生成的程序集：

mod9_v1:
        sub     rsp, 8
        mov     edx, 9
        xor     ecx, ecx
        call    __umodti3
        add     rsp, 8
        ret

mod9_v2:
        mov     rax, rdi
        shrd    rax, rsi, 32
        mov     rdx, rsi
        mov     r8d, eax
        shr     rdx, 32
        mov     eax, edi
        add     rax, rdx
        lea     rax, [rax+r8*4]
        mov     esi, esi
        lea     rcx, [rax+rsi*8]
        sub     rcx, rsi
        mov     rax, rcx
        movabs  rdx, -2049638230412172401
        mul     rdx
        mov     rax, rdx
        shr     rax, 3
        and     rdx, -8
        add     rdx, rax
        mov     rax, rcx
        sub     rax, rdx
        ret

标签： cx86-64compiler-optimizationmodular-arithmetic128-bit

解决方案

从汇编列表中可以清楚地看出这种差异的原因：%应用于 128 位整数的运算符是通过对无法利用除数值的编译时知识的通用函数的库调用来实现的，这使得转换除法成为可能和模运算到更快的乘法。

mod_v2()在我使用clang的旧 Macbook-pro 上，时间差异更加显着，我的速度比mod_v1().

但请注意以下备注：

  • 您应该在for循环结束后测量 cpu 时间，而不是在printf当前编码的第一个之后。
  • rand_u128()RAND_MAX假设is仅产生 124 位0x7fffffff。
  • 大部分时间都花在计算随机数上。

使用您的切片方法，我扩展了您的代码以减少使用 42、42 和 44 位切片的步骤数，这进一步改进了时序（因为 2 42 % 9 == 1）：

#pragma GCC diagnostic ignored "-Wpedantic"
#include <stddef.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

static uint64_t mod9_v1(unsigned __int128 n) {
    return n % 9;
}

static uint64_t mod9_v2(unsigned __int128 n) {
    uint64_t r = 0;

    r += (uint32_t)(n);
    r += (uint32_t)(n >> 32) * (uint64_t)(((uint64_t)1ULL << 32) % 9);
    r += (uint32_t)(n >> 64) * (uint64_t)(((unsigned __int128)1 << 64) % 9);
    r += (uint32_t)(n >> 96);

    return r % 9;
}

static uint64_t mod9_v3(unsigned __int128 n) {
    return (((uint64_t)(n >>  0) & 0x3ffffffffff) +
            ((uint64_t)(n >> 42) & 0x3ffffffffff) +
            ((uint64_t)(n >> 84))) % 9;
}

unsigned __int128 rand_u128() {
    return ((unsigned __int128)rand() << 97 ^
            (unsigned __int128)rand() << 66 ^
            (unsigned __int128)rand() << 35 ^
            (unsigned __int128)rand() << 4 ^
            (unsigned __int128)rand());
}

#define N 100000000

int main() {
    srand(42);

    unsigned __int128 *arr = malloc(sizeof(unsigned __int128) * N);
    if (arr == NULL) {
        return 1;
    }

    for (size_t n = 0; n < N; ++n) {
        arr[n] = rand_u128();
    }

#if 1
    /* check that modulo 9 is calculated correctly */
    for (size_t n = 0; n < N; ++n) {
        uint64_t m = mod9_v1(arr[n]);
        assert(m == mod9_v2(arr[n]));
        assert(m == mod9_v3(arr[n]));
    }
#endif

    clock_t clk1 = -clock();
    uint64_t sum1 = 0;
    for (size_t n = 0; n < N; ++n) {
        sum1 += mod9_v1(arr[n]);
    }
    clk1 += clock();

    clock_t clk2 = -clock();
    uint64_t sum2 = 0;
    for (size_t n = 0; n < N; ++n) {
        sum2 += mod9_v2(arr[n]);
    }
    clk2 += clock();

    clock_t clk3 = -clock();
    uint64_t sum3 = 0;
    for (size_t n = 0; n < N; ++n) {
        sum3 += mod9_v3(arr[n]);
    }
    clk3 += clock();

    printf("mod9_v1: sum=%"PRIu64", elapsed time: %.3f secs\n", sum1, clk1 / (double)CLOCKS_PER_SEC);
    printf("mod9_v2: sum=%"PRIu64", elapsed time: %.3f secs\n", sum2, clk2 / (double)CLOCKS_PER_SEC);
    printf("mod9_v3: sum=%"PRIu64", elapsed time: %.3f secs\n", sum3, clk3 / (double)CLOCKS_PER_SEC);

    free(arr);
    return 0;
}

以下是我的 linux 服务器 (gcc) 上的时间安排：

mod9_v1: sum=400041273, elapsed time: 7.992 secs
mod9_v2: sum=400041273, elapsed time: 1.295 secs
mod9_v3: sum=400041273, elapsed time: 1.131 secs

我的 Macbook 上的相同代码（clang）：

mod9_v1: sum=399978071, elapsed time: 32.900 secs
mod9_v2: sum=399978071, elapsed time: 0.204 secs
mod9_v3: sum=399978071, elapsed time: 0.185 secs

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