为什么循环裂变在这种情况下有意义？

Question

没有裂变的代码看起来像这样:

int check(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += map[hash(keys[i])]
    }
    return ret;
}

裂变:

int check(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        tmp[i] = map[hash(keys[i])];
    }
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += tmp[i];
    }
    return ret;
}

笔记:

• 瓶颈是map[hash(keys[i])]随机访问内存.

• 通常,这是if(tmp[i]) res[ret++] = i;为了避免if,我正在使用ret += tmp[i].

• map[..] 总是0或1

裂变版本通常明显更快,我试图解释原因.我最好的猜测是ret += map[..]仍然会引入一些依赖性并阻止推测性执行.

我想听听是否有人有更好的解释.

Answer 1

根据我的测试,我在融合循环和分离循环之间获得大约2倍的速度差异.无论我如何调整循环,这种速度差异都非常一致.

Fused: 1.096258 seconds
Split: 0.562272 seconds

(有关完整的测试代码,请参阅底部.)

虽然我不是百分百肯定,但我怀疑这是由于两件事的结合:

1. 加载 - 存储缓冲区的饱和度,用于因缓存未命中导致的内存消歧map[gethash(keys[i])].
2. 融合循环版本中添加的依赖项.

很明显,map[gethash(keys[i])]几乎每次都会导致缓存未命中.实际上,它可能足以使整个加载存储缓冲区饱和.

现在让我们看一下添加的依赖项.问题是ret变量:

int check_fused(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += map[gethash(keys[i])];
    }
    return ret;
}

该商店的地址解析需要该ret变量.res[ret] = i;

• 在融合循环中,ret来自确定的缓存未命中.
• 在分裂循环中,ret即将到来tmp[i]- 这要快得多.

融合循环情况的地址解析的这种延迟可能导致res[ret] = i存储阻塞加载存储缓冲区map[gethash(keys[i])].

由于加载存储缓冲区具有固定的大小,但是其中有两倍的垃圾:
您只能将缓存未命中的重叠量减少一半.因此减速2倍.

假设我们将融合循环更改为:

int check_fused(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[i] = i;    //  Change "res" to "i"
        ret += map[gethash(keys[i])];
    }
    return ret;
}

这将破坏地址解析依赖性.

^{(请注意,它不再相同,但它只是为了演示性能差异.)}

然后我们得到类似的时间:

Fused: 0.487477 seconds
Split: 0.574585 seconds

这是完整的测试代码:

#define SIZE 67108864

unsigned gethash(int key){
    return key & (SIZE - 1);
}

int check_fused(int * res, char * map, int n, int * keys){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += map[gethash(keys[i])];
    }
    return ret;
}
int check_split(int * res, char * map, int n, int * keys, int *tmp){
    int ret = 0;
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        tmp[i] = map[gethash(keys[i])];
    }
    for(int i = 0; i < n; ++i){
        res[ret] = i;
        ret += tmp[i];
    }
    return ret;
}


int main()
{
    char *map = (char*)calloc(SIZE,sizeof(char));
    int *keys =  (int*)calloc(SIZE,sizeof(int));
    int *res  =  (int*)calloc(SIZE,sizeof(int));
    int *tmp  =  (int*)calloc(SIZE,sizeof(int));
    if (map == NULL || keys == NULL || res == NULL || tmp == NULL){
        printf("Memory allocation failed.\n");
        system("pause");
        return 1;
    }

    //  Generate Random Data
    for (int i = 0; i < SIZE; i++){
        keys[i] = (rand() & 0xff) | ((rand() & 0xff) << 16);
    }

    printf("Start...\n");

    double start = omp_get_wtime();
    int ret;

    ret = check_fused(res,map,SIZE,keys);
//    ret = check_split(res,map,SIZE,keys,tmp);

    double end = omp_get_wtime();

    printf("ret = %d",ret);
    printf("\n\nseconds = %f\n",end - start);

    system("pause");
}