为什么整数的java除法比黑客的喜悦实现更快

Question

我正在测试来自黑客高兴书籍的divs10函数吞吐量，在我的jdk 1.7 64位版本21和i7 intel盒处理器上用java编码：7 vendor_id：GenuineIntel cpu系列：6型号：26型号名称：Intel（R）Core（TM）i7 CPU 920 @ 2.67GHz

我想知道为什么默认的java运算符/比黑客的快乐书中的divs10函数更快，结果显示divs10比“/”运算符慢3倍，令我惊讶。

任何人都可以告诉我，是否有任何花哨的内在jvm可以使用？

源代码如下。

 public class div10 {

            public static final int divs10(int n) {
                   int q, r;

                   n = n + (n >> 31 & 9);
                   q = (n >> 1) + (n >> 2);
                   q += q >> 4;
                   q += q >> 8;
                   q += q >> 16;
                   q = q >> 3;
                   r = n - ((q << 3) + (q << 1));
                   return q + ((r + 6) >> 4);
            }

            public static void main(String[] args) {
                /*
                long count = 0;
                for (int i = Integer.MIN_VALUE; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
                    if ( (i/10) != divs10(i) ) {
                        System.err.println("error dividing :" + i );
                    }
                    if ((i & 0xFFFFFFF ) == 0 ) {
                        System.out.println("Finished:" + Long.toHexString(count) + ":" + count + ":" + i);
                    }
                    count++;
                }

                System.out.println("Success:" + count);
                */

                long start = System.nanoTime();
                long count = 0L;
                int iter = 100_000;
                for (int j = 0; j < 10; j++) 
                    for (int i = -iter; i < iter; i++) {
                        count += (i/10);
                    }
                for (int j = 0; j < 10; j++) 
                    for (int i = -iter; i < iter; i++) {
                        count += divs10(i);
                    }
                System.out.println(count + " warm up done ") ;


                start = System.nanoTime();
                count = 0L;
                for (int i = Integer.MIN_VALUE; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
                    count += i/10;
                }
                System.out.println(count + ", took:" + (System.nanoTime() - start) / 1000_000L + " ms, " + (System.nanoTime() - start) / ((long)Integer.MAX_VALUE - (long)Integer.MIN_VALUE) + " ns per ops" ) ;

                start = System.nanoTime();
                count = 0L;
                for (int i = Integer.MIN_VALUE; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
                    count += divs10(i);
                }
                System.out.println(count + ", took:" + (System.nanoTime() - start) / 1000_000L + " ms, " + (System.nanoTime() - start) / ((long)Integer.MAX_VALUE - (long)Integer.MIN_VALUE) + " ns per ops" ) ;

           }
    }

Answer 1

更新：当查看较新的Ivy Bridge表 （第174页）时，我看到所有延迟都在1.这意味着我之前的解释是不正确的。

计算在divs10方法中执行的指令的尝试是27（没有函数调用的开销）指令。 您正在进行操作，要求在下一个操作开始之前完成前一个操作。 这意味着您应该考虑指令的延迟。 根据Ivy Bridge指令表，所涉及的所有指令都具有1个时钟周期的延迟。 这总共给出了27个时钟周期。

这与单个IDIV（8位）指令相比较。 在表中，我发现这需要大约20个时钟周期的延迟。

原始估计将给出：27个循环/ 20个循环= 1.35倍慢。 这与您的结果不一致。 我不是这方面的专家，但我认为这是因为IDIV指令的划分可以并行运行，因为它们是独立的。 IDIV指令的吞吐量为8个时钟周期。 这允许CPU以这样的方式优化指令：它可以每52个周期运行大约4个分区（这是一个估计）。

因此，要使用位移算法执行4次除法，您需要108个周期，而IDIV则需要大约64个时钟周期。 这给出：108/52 =慢2.1倍。

这接近你测量的比率。 我猜剩下的额外时间用于函数调用的开销。 也许CPU比我的估计做了更大的优化。

Answer 2

当你写：

count += (i/10);

Java JIT能够使用一些很好的技巧来优化每个常量的除法，比如“ Reciprocal Multiplication ” - 参见本文的数学参考 - 或者这个 。

因此，它可以通过单个乘法+移位替换这个除法，这在所有情况下都比绕过的divs10()函数快得多， divs10()函数可能在最老的CPU中很快，但不适用于现代CPU，整数乘法需要1或1.5个循环！ “黑客的喜悦”技巧确实与普通的386很好地搭配，但不是现代的CPus。

此外，JIT可能能够展开循环，以实现更快的过程，因为计算count += ...很容易并行。

结论：当您使用Java等高级语言，在带有JIT的VM上运行时，不要指望如何编译代码。 即使任何现代C编译器都能够通过使用“ 倒数乘法 ”技巧来优化count += i/10 ，或者展开循环（甚至使其成为多线程）。

让你的（JIT）编译器完成它的工作，如果性能不够，优化你的数据结构和算法，而不是试图“调整”编译器。 如果您想在CPU级别获得一些低级别性能技巧的文档和源代码， 请查看此参考资料 。 但请注意，您将无法使用Java（添加asm需要C / C ++或Delphi编译器）。 最后但同样重要的是，请记住， 过早优化是万恶之源 （Knuth）。