如何繞過循環瓶頸進行恆定時間操作？

Question

在規則不可知的撲克模擬器上工作以獲得樂趣。 測試枚舉中的瓶頸，以及總是從“獨特”陣列中獲取的手，我發現了一個有趣的瓶頸。 我測量了運行每個變量低於1,000,000,000次的平均計算時間，然后在100次重復中進行了最佳操作，以允許JIT和Hotspot發揮他們的魔力。 我發現之間的計算時間（6ns vs 27ns）存在差異

public int getRank7(int ... cards) {
  int q = (cards[0] >> 16) | (cards[1] >> 16) | (cards[2] >> 16) | (cards[3] >> 16) | (cards[4] >> 16) | (cards[5] >> 16) | (cards[6] >> 16);
  int product = ((cards[0] & 0xFF) * (cards[1] & 0xFF) * (cards[2] & 0xFF) * (cards[3] & 0xFF) * (cards[4] & 0xFF) * (cards[5] & 0xFF) * (cards[6] & 0xFF));
  if(flushes[q] > 0) return flushes[q];
  if(unique[q] > 0) return unique[q];
  int x = Arrays.binarySearch(products, product);
  return rankings[x];
}

和

public int getRank(int ... cards) {
  int q = 0;
  long product = 1;
  for(int c : cards) {
    q |= (c >> 16);
    product *= (c & 0xFF);
  }
  if(flushes[q] > 0) return flushes[q];
  if(unique[q] > 0) return unique[q];
  int x = Arrays.binarySearch(products, product);
  return rankings[x];
}

問題肯定是for循環，而不是在函數頂部添加處理乘法。 我對此感到困惑，因為我在每個場景中都運行了相同數量的操作...我意識到我在這個功能中總是有6張或更多卡片所以我通過將它改為

public int getRank(int c0, int c1, int c2, int c3, int c4, int c5, int ... cards)

但是，隨着卡數量的增加，我將面臨同樣的瓶頸。 有沒有辦法解決這個問題，如果沒有，有人可以向我解釋為什么相同數量的操作的for循環要慢得多？

Answer 1

我想你會發現最大的不同就是分支。 for循環場景需要在for循環的每次迭代中進行檢查和條件分支。 你的CPU將嘗試預測將采用哪個分支，並相應地預測管道指令，但是當它錯誤預測時（每個函數調用至少一次，因為循環終止），管道停滯，這是非常昂貴的。

要嘗試的一件事是具有固定上限的常規for循環（而不是基於數組長度的循環）; Java JRE可以展開這樣的循環，這將導致與更高效版本相同的操作序列。

Answer 2

增強的for循環需要設置一個迭代器，當你只有少數幾個項目時這是相對昂貴的。

如果你寫了一個傳統的for循環，看看你的時間是多么有趣：

for (int i = 0; i < cards.length; ++i)
{
    q |= (cards[i] >> 16);
    product *= (cards[i] & 0xFF);
}

但即使這可能比第一個例子略慢，因為有一些循環開銷（遞增索引，將其與長度進行比較，並分支到循環的開頭）。

在任何情況下，循環開銷都會為每次迭代添加增量，比較和分支。 而這種比較很可能需要一個指針去引用才能到達cards.length 。 循環開銷比你在循環中所做的工作要昂貴得多，這是非常合理的。