为什么 gcc 数学库效率这么低？

Question

当我将一些 fortran 代码移植到 c 时，令我惊讶的是，使用 ifort（intel fortran 编译器）编译的 fortran 程序和使用 gcc 编译的 c 程序之间的大部分执行时间差异来自三角函数的评估函数（sin，cos）。这让我感到惊讶，因为我曾经相信answer 解释的内容，正弦和余弦等函数是在微处理器内部的微码中实现的。

为了更明确地发现问题，我在 fortran 中做了一个小测试程序

program ftest
  implicit none
  real(8) :: x
  integer :: i
  x = 0d0
  do i = 1, 10000000
    x = cos (2d0 * x)
  end do
  write (*,*) x
end program ftest

在intel Q6600 处理器和3.6.9-1-ARCH x86_64 Linux 我得到ifort version 12.1.0

$ ifort -o ftest ftest.f90 
$ time ./ftest
  -0.211417093282753     

real    0m0.280s
user    0m0.273s
sys     0m0.003s

gcc version 4.7.2 我明白了

$ gfortran -o ftest ftest.f90 
$ time ./ftest
  0.16184945593939115     

real    0m2.148s
user    0m2.090s
sys     0m0.003s

这几乎是 10 倍的差异！我仍然可以相信cos 的 gcc 实现是微处理器实现的包装器，其方式与英特尔实现中可能完成的方式类似吗？如果这是真的，瓶颈在哪里？

编辑

根据 cmets，启用的优化应该会提高性能。我的观点是优化不会影响库函数……这并不意味着我不在非平凡的程序中使用它们。但是，这里有两个额外的基准测试（现在在我的家用电脑上intel core2）

$ gfortran -o ftest ftest.f90
$ time ./ftest
  0.16184945593939115     

real    0m2.993s
user    0m2.986s
sys     0m0.000s

和

$ gfortran -Ofast -march=native -o ftest ftest.f90
$ time ./ftest
  0.16184945593939115     

real    0m2.967s
user    0m2.960s
sys     0m0.003s

您（评论员）想到了哪些特定的优化？在这个特定示例中，编译器如何利用多核处理器，其中每次迭代都取决于前一次的结果？

编辑 2

Daniel Fisher 和 Ilmari Karonen 的基准测试让我认为问题可能与 gcc 的特定版本（4.7.2）有关，也可能与我正在使用的特定版本（Arch x86_64 Linux）有关我的电脑。所以我用debian x86_64 Linux、gcc version 4.4.5和ifort version 12.1.0在intel core i7盒子上重复了测试

$ gfortran -O3 -o ftest ftest.f90
$ time ./ftest
  0.16184945593939115     

real    0m0.272s
user    0m0.268s
sys     0m0.004s

和

$ ifort -O3 -o ftest ftest.f90
$ time ./ftest
  -0.211417093282753     

real    0m0.178s
user    0m0.176s
sys     0m0.004s

对我来说，这是一个非常可接受的性能差异，我永远不会问这个问题。看来我将不得不在 Arch Linux 论坛上询问这个问题。

不过，对整个故事的解释还是很受欢迎的。

Answer 1

这主要是由于数学库的差异。需要考虑的几点：

• 是的，带有 x87 单元的 x86 处理器具有 fsin 和 fcos 指令。但是，它们是用微码实现的，没有什么特别的理由说明它们必须比纯软件实现更快。
• GCC 没有自己的数学库，而是使用系统提供的数学库。在 Linux 上，这通常由 glibc 提供。
• 32 位 x86 glibc 使用 fsin/fcos。
• x86_64 glibc 使用使用 SSE2 单元的软件实现。很长一段时间，这比只使用 x87 指令的 32 位 glibc 版本慢 很多。但是，已经（最近）进行了改进，因此根据您使用的 glibc 版本，情况可能不再像以前那么糟糕了。
• 英特尔编译器套件拥有非常快速的数学库 (libimf)。此外，它还包括矢量化超越数学函数，通常可以进一步加快这些函数的循环速度。