C语言中if语句的编译器优化

Question

我在 C 中有一个这样的函数（在伪代码中，删除了不重要的部分）：

int func(int s, int x, int* a, int* r) {
    int i;

    // do some stuff

    for (i=0;i<a_really_big_int;++i) {
        if (s) r[i] = x ^ i;
        else r[i] = x ^ a[i];
        // and maybe a couple other ways of computing r
        // that are equally fast individually
    }

    // do some other stuff

}

这段代码被如此频繁地调用，以至于这个循环实际上是代码中的一个速度瓶颈。我想知道几件事：

1. 由于开关 s 是函数中的常量，优秀的编译器会优化循环以使分支不会一直拖慢速度吗？

2. 如果没有，有什么好的方法可以优化这段代码？

====

这里有一个更完整示例的更新：

int func(int s,
         int start,int stop,int stride,
         double *x,double *b,
         int *a,int *flips,int *signs,int i_max,
         double *c)
{
  int i,k,st;
  for (k=start; k<stop; k += stride) {
    b[k] = 0;
    for (i=0;i<i_max;++i) {

      /* this is the code in question */
      if (s) st = k^flips[i];
      else st = a[k]^flips[i];
      /* done with code in question */

      b[k] += x[st] * (__builtin_popcount(st & signs[i])%2 ? -c[i] : c[i]);
    }
  }
}

---

编辑 2：

如果有人好奇，我最终重构了代码并将整个内部 for 循环（使用 i_max）提升到外部，使 really_big_int 循环更简单，并且希望易于矢量化！ （并且还避免了无数次做一堆额外的逻辑）

Answer 1

优化代码的一个明显方法是将条件拉到循环之外：

if (s)
    for (i=0;i<a_really_big_int;++i) {
        r[i] = x ^ i;
    }
else
    for (i=0;i<a_really_big_int;++i) {
        r[i] = x ^ a[i];
    }

精明的编译器可能能够将其更改为一次多个元素的 r[] 赋值。

Answer 2

微优化

通常他们不值得花时间 - 审查更大的问题更有效。

还需进行微优化，尝试各种方法，然后对其进行分析以找到最佳方法，这可以带来适度的改进。

除了@wallyk 和@kabanus 好的答案之外，一些简单的编译器还受益于以0 结尾的循环。

// for (i=0;i<a_really_big_int;++i) {
for (i=a_really_big_int; --i; ) {

---

[编辑第二次优化]

OP 添加了一个更具竞争力的示例。问题之一是编译器无法假设b 指向的内存与其他内存不重叠。这会阻止某些优化。

假设它们实际上不重叠，请在 b 上使用 restrict 以允许优化。 const 也有助于较弱的编译器不会推断出这一点。如果参考数据不重叠，其他人的restrict 也可能受益。

// int func(int s, int start, int stop, int stride, double *x,
//     double *b, int *a, int *flips,
//     int *signs, int i_max, double *c) {

int func(int s, int start, int stop, int stride, const double * restrict x,
    double * restrict b, const int * restrict a, const int * restrict flips, 
    const int * restrict signs, int i_max, double *c) {

Answer 3

您的所有命令都是循环中的快速 O(1) 命令。 if 绝对是优化的，如果你的所有命令都是r[i]=somethingquick 的形式，你的 for+if 也是如此。这个问题可能会归结为 big int 有多小？

一个快速的int main 只是从INT_MIN 到INT_MAX 求和成一个长变量，在 Windows 上的 Ubuntu 子系统上对我来说大约需要 10 秒。您的命令可能会将其乘以几，很快就会达到一分钟。归根结底，如果您真的要进行大量迭代，这可能是无法避免的。

如果r[i] 是独立计算的，这将是线程/多处理的经典用法。

编辑：

我认为% 无论如何都被编译器优化了，但如果没有，请注意x & 1 对于奇数/偶数检查要快得多。

Answer 4

假设 x86_64，可以确保指针对齐到 16 个字节并使用intrinsics。如果它仅在带有 AVX2 的系统上运行，您可以使用 __mm256 变体（类似于 avx512*）

int func(int s, int x, const __m128i* restrict a, __m128i* restrict r) {
    size_t i = 0, max = a_really_big_int / 4;
    __m128i xv =  _mm_set1_epi32(x);
    // do some stuff
    if (s) {
        __m128i iv = _mm_set_epi32(3,2,1,0); //or is it 0,1,2,3?
        __m128i four = _mm_set1_epi32(4);
        for ( ;i<max; ++i, iv=_mm_add_epi32(iv,four)) {
            r[i] = _mm_xor_si128(xv,iv);
        }
    }else{ /*not (s)*/
        for (;i<max;++i){
            r[i] = _mm_xor_si128(xv,a[i]);
        }
    }
    // do some other stuff   
}

Answer 5

虽然if 语句将在任何体面的编译器上被优化掉（除非你要求编译器不要优化），但我会考虑将优化写入其中（以防你在没有优化的情况下编译）。

此外，虽然编译器可能会优化“绝对”if 语句，但我会考虑手动优化它，使用任何可用的内置函数或 using bitwise 操作。

即

b[k] += x[st] *
        ( ((__builtin_popcount(st & signs[I]) & 1) *
           ((int)0xFFFFFFFFFFFFFFFF)) ^c[I] );

这将取popcount 的最后一位（1 == 奇数，0 == 偶数），将其乘以 const（如果为奇数，则所有位为 1，如果为真，则所有位为 0）然后对c[I] 进行异或运算值（与0-c[I] 或~(c[I]) 相同。

这将避免在第二个absolute if 语句未优化的情况下发生指令跳转。

附言

我使用了一个 8 字节长的值，并通过将其转换为 int 来截断它的长度。这是因为我不知道int 在您的系统上可能存在多长时间（在我的系统上是 4 个字节，即0xFFFFFFFF）。