埃拉托色尼 C++ 代码的筛选在连续运行中加速 - 为什么？

Question

我对这个问题进行了快速检查，但找不到答案 - 尽管我猜它之前可能已经在这里提出过。

我正在忙着用 C++ 编写一个简单的埃拉托色尼筛实现，并为结果计时：

#include <iostream> 
#include <math.h>


int main() {

  int n = 100000;
  int seive [n];

  for (int i=0; i<n; i++) {
    seive[i] = i;
  }

  for (int i=2; i < ceil(sqrt(n)); i++) {
    for (int j=i*2; j<=n; j+=i) {
      seive[j-1] = -9;
    }
  }

  for (int i=0; i<n; i++) {
    if (seive[i] != -9) {
      std::cout << i+1 << "\n";
    }
  }

  return 0;
}

我使用以下方法编译它：

g++ seive.cpp -o seiveCpp

然后使用它计时：

time ./seiveCpp

第一次：

./seiveCpp  0.01s user 0.01s system 10% cpu 0.184 total

第二次：

./seiveCpp  0.01s user 0.01s system 58% cpu 0.034 total

第三次：

./seiveCpp  0.01s user 0.01s system 59% cpu 0.037 total

等等。

如果我多次重复此操作，似乎第一次运行代码总是比所有连续时间慢 5 倍左右。

这背后的原因是什么？

我在 2017 款 MacBook Pro、2.3 GHz 双核 Intel Core i5 上运行它，并使用 Apple clang 版本 11.0.0 (clang-1100.0.33.12

Answer 1

原因是因为分支预测器。 第一次运行时，计算机对程序一无所知，但在执行它时，会在代码（for 和 if）的跳转中找到逻辑，然后可以更好地预测它应该采用哪个分支。 在现代处理器中，有很长的命令管道，因此正确预测跳转可以显着减少工作时间。

因此，要按执行时间比较几个算法，最好运行一百次并花费最少的时间。

Answer 2

鉴于非常大的差异，我猜想 CPU 在您开始第一次运行时处于较低的性能模式，但是在第一次运行的负载下，操作系统将其切换到较高的性能模式，您观察到执行时间降低.

如果您想避免这种影响，请确保您的笔记本电脑连接到交流电源并且禁用所有节能选项。

在任何情况下，仍然会存在缓存效果（例如，可执行文件中的内容可能会缓存在内存中）。 但我认为这些不应该是 100 毫秒的数量级。

一般来说，当您对代码进行基准测试时，您应该始终进行热身运行，因为出于某种原因，总会在某种程度上产生这种影响。 可以这么说，您通常希望在环境达到平衡状态时执行实际测试运行。

Answer 3

当操作系统第一次将文件加载到内存中多次运行程序时，下一次它很可能已经存在（尽管根据编译器/链接器的设置，重定位可能仍然是必要的，即位置无关代码生成）。 如果您在单个进程中多次运行相同的代码（这是收集性能数据时的一个好主意 - 将计时代码放入程序中并多次运行感兴趣的代码），分支位置答案将更有可能适用，为每个循环计时，而不是多次运行整个程序并使用外部时间程序）。