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])] ，它随机访问内存。

• 通常， if(tmp[i]) res[ret++] = i; 为了避免if，我使用ret += tmp[i] 。

• map[..]始终为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关系并阻止推测性执行。

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。）

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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map[gethash(keys[i])]的缓存未命中导致的内存消歧 。
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;
}

商店res[ret] = i; 地址解析需要 ret变量res[ret] = i; 。

• 在融合循环中， ret来自确定的高速缓存未命中。
• 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存储以阻塞加载存储缓冲区以及map[gethash(keys[i])] 。

由于加载存储缓冲区具有固定的大小，但是它有两倍的垃圾：
您只能将缓存未命中的重叠次数减少一半。 因此减速2倍。

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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

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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");
}

Answer 2

我不认为它是数组索引，但调用函数hash()可能导致管道停顿并阻止最佳指令重新排序。