在C ++中通过固定大小的数组展开循环是否有益？

Question

我想使用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，由于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;
}

sum操作是使用plus_equals实现的，它应该在Vector的元素上展开单独的+=操作，而sum(Vector const&, Vector const&)函数使用for循环。

我使用-O3 -std=c++2a在godbolt上编译了这个例子。

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？ 为什么我看不到前两个常数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); 

一模一样？

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函数模板并按预期展开迭代。

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Vector生成通用代码，然后再计算出Vector::size()是否为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，因为使用-O3 ，使用constexpr size成员函数的循环无论如何都将被编译器展开？

Answer 1

编译器足够智能，可以为您自动展开循环，您应该相信它能够进行那些（以及许多其他）优化。

一般来说，编译器更擅长进行微优化，而程序员更擅长进行宏优化。

微优化（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）
• elide拷贝和移动：如果按值返回某些内容，在许多情况下编译器可以删除副本或完全移动。
• 使用向量化浮点指令（有时候这个指令仍需要你帮助编译器）
• 消除不必要的或冗余的if语句（例如，当你检查一些东西，然后cal一个也检查它的成员函数，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（如果你不将它包装在std::function它只会这样做 - 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（编译器不能做什么）：

这些是程序员仍然需要注意的事情。

• 更改数据的存储方式。 如果某些东西不需要是指针，则将其存储在堆栈中！
• 更改用于计算某事的算法。 算法设计仍然很重要！
• 其他的东西