哪些优化技术应用于总结简单算术序列的Rust代码？

Question

该代码是幼稚的：

use std::time;

fn main() {
    const NUM_LOOP: u64 = std::u64::MAX;
    let mut sum = 0u64;
    let now = time::Instant::now();
    for i in 0..NUM_LOOP {
        sum += i;
    }
    let d = now.elapsed();
    println!("{}", sum);
    println!("loop: {}.{:09}s", d.as_secs(), d.subsec_nanos());
}

输出为：

$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000060s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000052s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000045s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000041s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000046s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000047s
$ ./test.rs.out
9223372036854775809
loop: 0.000000045s

该程序几乎立即结束。 我还使用for循环在C中编写了等效的代码，但运行了很长时间。 我想知道是什么使Rust代码这么快。

C代码：

#include <stdint.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

double time_elapse(struct timespec start) {
    struct timespec now;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &now);
    return now.tv_sec - start.tv_sec +
           (now.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.;
}

int main() {
    const uint64_t NUM_LOOP = 18446744073709551615u;
    uint64_t sum = 0;
    struct timespec now;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &now);

    for (int i = 0; i < NUM_LOOP; ++i) {
        sum += i;
    }

    double t = time_elapse(now);
    printf("value of sum is: %llu\n", sum);
    printf("time elapse is: %lf sec\n", t);

    return 0;
}

Rust代码使用-O编译，而C代码使用-O3编译。 C代码运行太慢，以至于还没有停止。

修复了visibleman和Sandeep发现的错误之后，这两个程序几乎都立即打印了相同的数字。 我尝试将NUM_LOOP 1，考虑到溢出，结果似乎合理。 此外，在NUM_LOOP = 1000000000 ，两个程序都不会溢出并且不会立即产生正确的答案。 这里使用什么优化？ 我知道我们可以使用简单的方程式(0 + NUM_LOOP - 1) * NUM_LOOP / 2来计算结果，但是我不认为此类计算是由编译器在发生溢出情况下完成的...

Answer 1

由于int永远不会比您的NUM_LOOP大，因此该程序将永远循环。

const uint64_t NUM_LOOP = 18446744073709551615u;

for (int i = 0; i < NUM_LOOP; ++i) { // Change this to an uint64_t

如果您修复了int错误，则在两种情况下编译器都会优化掉这些循环。

Answer 2

您的Rust代码（没有打印内容和时间）会编译为（ On Godbolt ）：

movabs rax, -9223372036854775807
ret

LLVM只是将整个函数折叠起来并为您计算最终值。

让我们将上限设为动态（非常数）以避免这种激进的常数折叠：

pub fn foo(num: u64) -> u64 {
    let mut sum = 0u64;
    for i in 0..num {
        sum += i;
    }

    sum
}

结果是（ Godbolt ）：

  test rdi, rdi            ; if num == 0
  je .LBB0_1               ; jump to .LBB0_1
  lea rax, [rdi - 1]       ; sum = num - 1
  lea rcx, [rdi - 2]       ; rcx = num - 2
  mul rcx                  ; sum = sum * rcx
  shld rdx, rax, 63        ; rdx = sum / 2
  lea rax, [rdx + rdi]     ; sum = rdx + num
  add rax, -1              ; sum -= 1
  ret
.LBB0_1:
  xor eax, eax             ; sum = 0
  ret

如您所见，优化器了解到您对从0到num所有数字求和，并用一个常量公式替换了循环： ((num - 1) * (num - 2)) / 2 + num - 1 。 对于上面的示例：优化器可能首先将代码优化为该常数公式，然后进行常数折叠。

补充笔记

• 另外两个答案已经指出了您在C程序中的错误。 修复后， clang 生成完全相同的程序集 （毫不奇怪）。 但是，GCC似乎并不了解这种优化，并且会生成您所期望的程序集（循环） 。
• 在Rust中，一种更简单，更惯用的方式编写代码是(0..num).sum() 。 尽管这样做使用了更多的抽象层（即迭代器），但编译器仍生成与上面完全相同的代码。
• 要在Rust中打印Duration ，可以使用{:?}格式说明符。 println!("{:.2?}", d); 以最适合的单位打印持续时间，精度为2。这是打印几乎所有基准测试时间的一种好方法。

Answer 3

您的代码陷入了无限循环。

比较i < NUM_LOOP将始终返回true，因为int i将在达到NUM_LOOP之前NUM_LOOP