为什么处理未排序数组的速度与处理现代 x86-64叮当的排序数组的速度相同?

我发现了这个受欢迎的 ~ 9岁的 有个问题,并决定再次检查它的结果。

所以,我有 AMD Ryzen 95950X,clang + + 10和 Linux,我从问题中复制粘贴的代码,这是我得到的:

排序-0.549702 s :

~/d/so_sorting_faster$ cat main.cpp | grep "std::sort" && clang++ -O3 main.cpp && ./a.out
std::sort(data, data + arraySize);
0.549702
sum = 314931600000

未分类-0.546554 s :

~/d/so_sorting_faster $ cat main.cpp | grep "std::sort" && clang++ -O3 main.cpp && ./a.out
// std::sort(data, data + arraySize);
0.546554
sum = 314931600000

我非常肯定,事实上,未排序的版本被证明是更快的3毫秒只是噪音,但它似乎不再是慢了。

那么,ABc0(这样它就不会再慢一个数量级了) ?

以下是多次运行的结果:

Unsorted: 0.543557 0.551147 0.541722 0.555599
Sorted:   0.542587 0.559719 0.53938  0.557909

以防万一,这是我的 main.cpp:

#include <algorithm>
#include <ctime>
#include <iostream>


int main()
{
// Generate data
const unsigned arraySize = 32768;
int data[arraySize];


for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
data[c] = std::rand() % 256;


// !!! With this, the next loop runs faster.
// std::sort(data, data + arraySize);


// Test
clock_t start = clock();
long long sum = 0;


for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
{
// Primary loop
for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
{
if (data[c] >= 128)
sum += data[c];
}
}


double elapsedTime = static_cast<double>(clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC;


std::cout << elapsedTime << std::endl;
std::cout << "sum = " << sum << std::endl;
return 0;
}

更新

元素数量较多(627680) :

Unsorted
cat main.cpp | grep "std::sort" && clang++ -O3 main.cpp && ./a.out
// std::sort(data, data + arraySize);
10.3814


Sorted:
cat main.cpp | grep "std::sort" && clang++ -O3 main.cpp && ./a.out
std::sort(data, data + arraySize);
10.6885

我认为这个问题仍然相关——几乎没有区别。

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您链接的问题中的几个答案讨论了将代码重写为无分支,从而避免任何分支预测问题。这就是你更新的编译器正在做的事情。

具体来说,clang + + 10与 -O3 矢量化的内部循环。看看 Godbolt 的密码,装配线36-67。代码有点复杂,但有一点您肯定看不到,那就是 data[c] >= 128测试中的任何条件分支。相反,它使用向量比较指令(pcmpgtd) ,其输出是一个掩码,其中1代表匹配元素,0代表不匹配。后面的带有这个掩码的 pand将不匹配的元素替换为0,这样当无条件地将它们添加到和中时,它们不会产生任何结果。

粗略的 C + + 等价物是

sum += data[c] & -(data[c] >= 128);

该代码实际上保留了两个运行的64位 sum,用于数组的偶数和奇数元素,这样它们可以并行累加,然后在循环结束时相加。

一些额外的复杂性是负责将32位 data元素的符号扩展到64位; 这就是像 pxor xmm5, xmm5 ; pcmpgtd xmm5, xmm4 ; punpckldq xmm4, xmm5这样的序列完成的任务。打开 -mavx2,你会看到一个更简单的 vpmovsxdq ymm5, xmm5在它的地方。

代码看起来也很长,因为循环已经展开,每次迭代处理8个 data元素。