为什么 Clang 分配 std::complex 这么快？

Question

我已经使用 GCC、Clang 和 Intel C++ 编译器测试了 std::complex<double> 数组的内存分配性能。我发现这些编译器之间存在巨大的性能差异。 Clang 比其他编译器快几个数量级。

谁能找出原因？非常感谢！下面附上测试代码、测试环境、测试结果详情。

附件

这是性能测试代码：

#include <iostream>
#include <complex>

#include <sys/time.h>
#include <stdlib.h>


double GetWallTime(void) {
  struct timeval time;
  if (gettimeofday(&time, NULL)) { return 0; }
  return (double)time.tv_sec + (double)time.tv_usec * .000001;
}


int main(int argc, char *argv[]) {
  auto size = atol(argv[1]);

  auto time_now = GetWallTime();
  auto double_array = new double [size];
  std::cout << "allocate double[" << size << "]: use "
            << GetWallTime() - time_now   << " sec" << std::endl;
  delete[] double_array;

  time_now = GetWallTime();
  auto c99cplx_array = new double _Complex [size];
  std::cout << "allocate double _Complex[" << size << "]: use "
            << GetWallTime() - time_now  << " sec" << std::endl;
  delete[] c99cplx_array;

  time_now = GetWallTime();
  auto stdcplx_array = new std::complex<double> [size];
  std::cout << "allocate std::complex<double>[" << size << "]: use "
            << GetWallTime() - time_now         << " sec" << std::endl;
  delete[] stdcplx_array;
  return 0;
}

在具有 Xeon E5-2680 v2 *2 CPU 和 64G DDR3 内存的 Linux 机器上，我使用这三个编译器编译此代码并运行测试。我得到以下结果：

使用g++ 7.5.0 和--std=c++11 -O3 标志：

allocate double[10000000]: use 5.6982e-05 sec
allocate double _Complex[10000000]: use 1.71661e-05 sec
allocate std::complex<double>[10000000]: use 0.0911679 sec

使用icpc 19.1.0.166 和--std=c++11 -O3 标志：

allocate double[10000000]: use 7.41482e-05 sec
allocate double _Complex[10000000]: use 1.69277e-05 sec
allocate std::complex<double>[10000000]: use 0.087034 sec

在版本中使用clang++

> clang++ --version
Intel(R) oneAPI DPC++ Compiler 2021.1-beta03 (2019.10.0.1121)
Target: x86_64-unknown-linux-gnu
Thread model: posix

带有--std=c++11 -O3 标志：

allocate double[10000000]: use 4.19617e-05 sec
allocate double _Complex[10000000]: use 9.53674e-07 sec
allocate std::complex<double>[10000000]: use 1.19209e-06 sec

Answer 1

因为你的测试很糟糕。 Clang 只是完全删除了 new/delete，因为它毫无意义。你正在有效地分析这个：

#include <complex>
int main() {

    auto ptr = new std::complex<double>[1000];
    delete [] ptr;
    return 0;
}

哪个 clang 正确地简化为：

main:                                   # @main
        xor     eax, eax
        ret

https://godbolt.org/z/4JjXfh

另一方面，gcc 分配和释放内存。您不是在测试分配速度，而是在测试一个空无一物的汉堡。不要像这样进行微基准测试，而是在实际代码上使用分析器。

如果您想对此进行分析，请执行以下操作：

volatile auto stdcplx_array = new std::complex<double> [size];

这将为每个编译器提供准确的基准（并不是说你的基准值得做——它只会减少到一个新的 + memset + 删除）。