C++ 求和 for 循环基准测试

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引言

最初的动机是找出 C++ 中不同类型的 for 循环的开销。

代码

将以下代码复制并粘贴到 Godbolt 在线 C++ 编译器 中，以查看生成的汇编代码。 注意： 数组或向量在基准测试中进行了初始化。以下简化后的代码供您复制并粘贴到 Godbolt 在线 C++ 编译器 中，以便您仅阅读相关的汇编代码，其他代码只会增加干扰，您需要仔细筛选才能找到汇编代码。

在使用 Godbolt 之前，我一直在研究 Visual C++ 生成的汇编代码，但由于每行 C++ 代码的优化汇编代码与其他行的汇编代码交错在一起，因此很难阅读。 我猜测这样做可能是为了利用 CPU 流水线，以便不依赖于先前操作结果的代码可以独立执行。 使用 Godbolt 是最好和最简单的方法。相信我。

#include <cstdint>
#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <iterator>

const size_t LEN = 1000000;

// Increment For Loop
uint64_t func1()
{
    uint64_t vec[LEN];

    uint64_t sum = 0;
    for (size_t i = 0; i < LEN; ++i)
    {
        sum += vec[i];
    }
    return sum;
}

// Range For Loop
uint64_t func2()
{
    uint64_t vec[LEN];

    uint64_t sum = 0;
    for (auto n : vec)
    {
        sum += n;
    }
    return sum;
}

// Iterator For Loop
uint64_t func3()
{
    uint64_t vec[LEN];

    uint64_t sum = 0;
    for (auto it = std::cbegin(vec); it != std::cend(vec); ++it)
    {
        sum += *it;
    }
    return sum;
}

// Accumulator
uint64_t func4()
{
    uint64_t vec[LEN];

    uint64_t sum = 0;
    const uint64_t Zero = 0;

    sum = std::accumulate(std::cbegin(vec), std::cend(vec), Zero);
    return sum;
}

测试机器： Intel i7 6700，主频 3.4 GHz

Visual C++ 2017 (15.4 更新) 结果

请忽略求和结果。我显示结果和是为了防止编译器优化掉 for 循环。Visual C++ 使用 SSE2 对代码进行了向量化。

 Increment For Loop:  599ms, sum:500000500000
     Range For Loop:  446ms, sum:500000500000
  Iterator For Loop:  558ms, sum:500000500000
        Accumulator:  437ms, sum:500000500000

调查显示，数组索引下标乘以 8 可能是 递增 For 循环 速度变慢的原因。

sum += vec[i];

movdqu   xmm0, XMMWORD PTR vec$[rsp+rax*8] <== multiplication by 8

对于 范围 For 循环，地址递增 16（= 8 + 8，因为进行了循环展开），未使用乘法来计算地址。累加器代码使用相同的策略。 在十年前，C 程序员对 std::accumulate 比 for 循环更快感到困惑。现在我们知道了原因。

对于 迭代器 For 循环 较差的结果，我的猜测是迭代器开销。

Cygwin clang++ 3.9.1 结果

clang++ 为所有 4 个循环生成了相似的代码，因此，计时也相似。clang++ 使用 SSE2 对循环进行了向量化。要使用 clang++ 编译代码，请使用以下命令。

# clang++ ForLoopBenchmark.cpp -O2 -std=c++14

 Increment For Loop:  392ms, sum:500000500000
     Range For Loop:  406ms, sum:500000500000
  Iterator For Loop:  381ms, sum:500000500000
        Accumulator:  391ms, sum:500000500000

Cygwin g++ 5.4 结果

与 clang++ 类似，g++ 也为所有 4 个循环生成了相似的代码，因此它们的计时也相似，但遗憾的是，在 O2 中循环没有被向量化。指定 O3 可以向量化所有循环，结果与 clang++ 的 O2 相当。要使用 g++ 编译代码，请使用以下命令。

g++ ForLoopBenchmark.cpp -O2 -std=c++14

 Increment For Loop:  558ms, sum:500000500000
     Range For Loop:  552ms, sum:500000500000
  Iterator For Loop:  542ms, sum:500000500000
        Accumulator:  544ms, sum:500000500000

“这些信息有价值吗？”

存在 FIX 协议（用于金融市场），它使用求和来计算消息的简单校验和。

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基准测试源代码托管 这里。感谢您的阅读！