乘法如何比向左移位快？

Question

眾所周知，向左移位比乘法快，因為桶形移位器直接在硬件中實現。 因此，這個簡單的基准應該是錯誤的：

$start = 1;

$timestart = microtime(1);
for ($i = 0; $i < 10000000; $i++) {
    $result2 = $start << 2;
}
echo microtime(1) - $timestart;

$timestart = microtime(1);
for ($i = 0; $i < 10000000; $i++) {
    $result1 = $start * 4;
}
echo microtime(1) - $timestart;
echo "\n";

因為我執行了多次，並且總是乘起來比向左移位快。 例如：

0.73733711242676

0.71091389656067

因此，或者基准測試是錯誤的，或者PHP解釋器正在此處執行某些操作。 該測試由在Ubuntu中運行的PHP 7.0.32執行：

PHP 7.0.32-0ubuntu0.16.04.1（cli）（NTS）

CPU：3.20GHz時的Intel（R）Core（TM）i5-4460 CPU

編輯：

在具有幾乎相同的CPU（Intel（R）CoreTM i5-4460S CPU @ 2.90GHz）的Windows盒中執行它，結果如預期的那樣：

0.24960112571716

0.28080010414124

這種情況下的PHP版本是不同的：

PHP 7.1.19（CLI）（內置：2018年6月20日23:24:42）（ZTS MSVC14（Visual C ++ 2015）x64）

Answer 1

您關於硬件的推理基本上是無關緊要的。 您正在使用一種解釋語言，其中大部分成本是解釋器開銷。

每個循環的一個asm版本每個時鍾可以運行1次（假設有固定計數的移位），因此（在3GHz CPU上）僅進行100k次迭代就需要0.033毫秒（即0.000033秒），比PHP的速度快250倍。

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而且，解釋循環必須使用可變計數移位（因為它不能將移位計數JIT編譯到機器代碼的立即數中），實際上這對於Intel CPU的吞吐量（3微秒）而言更加昂貴x86傳統行李（標志語義）。 AMD CPU甚至具有可變移位計數，也具有單uup移位。 （ shl reg, cl vs. shr reg, imm8 ）。 參見INC指令與ADD 1：有關系嗎？ 進一步了解為什么shl reg,cl在Sandybridge家族上為3 uops，以及如何通過標志創建虛假依賴關系）

在Intel Sandybridge系列和AMD Ryzen上，整數乘法是1 uop，每時鍾1個吞吐量，3個周期延遲。 我每2個時鍾在AMD Bulldozer系列上運行一次，但未完全流水線化。 因此，是的，乘法具有更高的延遲，但是它們都已完全流水線化以提高吞吐量。 您的循環會丟棄結果，因此沒有循環承載的依賴關系鏈，因此延遲是無關緊要的（並且由於亂序執行而被隱藏）。

但是，這個微小的差異（額外的2個ouop）不足以解決所測得的差異。 實際的移位或乘法運算僅是循環總周期的1/250。 您說切換循環的順序不會改變結果，因此在CPU加速到最大時鍾速度之前，這不僅僅是預熱效果。

您沒有提到正在運行的CPU微體系結構，但是答案可能並不取決於移位與乘法指令的解碼方式。