在C++中通过固定大小的数组展开循环是否有益？

Question

我想用它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,既然std::array现在有一个constexpr size()成员函数,我可以使用它来展开算术运算所需的循环.

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;
}

使用该sum操作实现该操作plus_equals应该+=在Vector的元素上展开各个操作,并且该sum(Vector const&, Vector const&)函数使用for循环.

我编的例子godbolt使用-O3 -std=c++2a.

如果我评论除了之外的一切

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？为什么我不能看到前两个常量c1[0] + c2[0]和c1[1] + c2[1]？另一方面7 + 5 = 12被移动:

    mov     DWORD PTR [rsp+12], 12

为什么是代码的汇编

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

哪个链接到plus_equals功能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,因此循环已经展开.

当我查看sum模板的汇编代码时,会有比较运算符和跳转.这是我的预期,因为我认为编译器首先为任何一个生成通用代码Vector,然后再计算出是否Vector::size()存在constexpr并应用进一步的优化.

解释好吗？如果是这样,可以得出结论,手动展开固定大小的数组的迭代是没有意义的,因为-O3使用constexpr size成员函数的循环无论如何都会被编译器展开吗？

Answer 1

编译器足够智能，可以自动为您展开循环，并且您应该相信它将能够执行这些（以及许多其他）优化。

一般来说，编译器更擅长进行微观优化，而程序员更擅长进行宏观优化。

微观优化（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）
• 删除副本和移动：如果按值返回某些内容，在许多情况下，编译器可以完全删除副本或移动。
• 使用向量化浮点指令（不过，有时仍然需要您帮助编译器）
• 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时，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（只有当您不将其包装起来时它才会这样做std::function- 它不能内联std::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 Cache
• 很多数学优化

宏优化（编译器不能做的事情）：

这些都是程序员还是要注意的。

• 改变数据存储方式。如果某些东西不需要是指针，请将其存储在堆栈中！
• 更改用于计算某些内容的算法。算法设计还是很重要！
• 其他的东西